JPH0726821B2 - 光学式表面輪郭測定装置 - Google Patents
光学式表面輪郭測定装置Info
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- JPH0726821B2 JPH0726821B2 JP61272036A JP27203686A JPH0726821B2 JP H0726821 B2 JPH0726821 B2 JP H0726821B2 JP 61272036 A JP61272036 A JP 61272036A JP 27203686 A JP27203686 A JP 27203686A JP H0726821 B2 JPH0726821 B2 JP H0726821B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、放射源ユニットと、この放射源ユニットから
放出される放射を偏向して測定面上に放射スポットを形
成するレンズ系と、被測定面で反射された放射の光路内
に配置した位置依存型放射感知検出系とを具える光学式
表面輪郭測定装置に関するものである。更に、本発明
は、このような測定装置を有する支持部材上の電子部品
を検出するに関するものである。
放出される放射を偏向して測定面上に放射スポットを形
成するレンズ系と、被測定面で反射された放射の光路内
に配置した位置依存型放射感知検出系とを具える光学式
表面輪郭測定装置に関するものである。更に、本発明
は、このような測定装置を有する支持部材上の電子部品
を検出するに関するものである。
ここで、“表面輪郭を測定する”とは、装置の光軸方向
に対する測定面の位置及び傾斜を測定することを意味す
るものと理解されるべきであるが、測定面のラフネス及
び外形を測定することも意味する。
に対する測定面の位置及び傾斜を測定することを意味す
るものと理解されるべきであるが、測定面のラフネス及
び外形を測定することも意味する。
位置依存型放射感知検出系は、この系の放射感知検出面
に入射する放射の中心の位置に依存する出力信号を出力
する検出系である。
に入射する放射の中心の位置に依存する出力信号を出力
する検出系である。
米国特許第3,876,841号明細書には、対物レンズ系に対
する放射反射情報面の位置を決定する系を有する光学式
記録媒体の読取装置が開示されている。位置検出装置か
ら供給される電気信号は、情報面に対する対物レンズ系
の位置を補正するために用いられる。この明細書に記載
されている位置検出装置では、細い放射ビームは対物レ
ンズ系の光軸に対して一定の角度を以て情報面に入射す
る。情報面で反射した放射は対物レンズ系によって集束
され、位置依存型放射感知検出系で放射スポットを形成
する。２個の放射検出器を有する検出系上の放射スポッ
トの位置は、対物レンズ系に対する情報面の位置を測定
することになる。
する放射反射情報面の位置を決定する系を有する光学式
記録媒体の読取装置が開示されている。位置検出装置か
ら供給される電気信号は、情報面に対する対物レンズ系
の位置を補正するために用いられる。この明細書に記載
されている位置検出装置では、細い放射ビームは対物レ
ンズ系の光軸に対して一定の角度を以て情報面に入射す
る。情報面で反射した放射は対物レンズ系によって集束
され、位置依存型放射感知検出系で放射スポットを形成
する。２個の放射検出器を有する検出系上の放射スポッ
トの位置は、対物レンズ系に対する情報面の位置を測定
することになる。
米国特許明細書第3,876,841号明細書に記載されている
情報面から対物レンズ系までの距離を決定する方法の好
ましい特性は、測定精度が高いこと、測定範囲が広いこ
と及び高い測定周波数を有していることである。一方、
この方法の欠点は、所望の自由作動距離、すなわち基準
面と対物レンズ系との間の距離によって反射放射を受光
できる角度が制限されることである。これにより測定面
の最大傾斜角が制限されてしまう。すなわち逆に言えば
被測定面の最大傾斜が大きくなると、自由作動距離が比
較的小さくなってしまう。第２の欠点は、入射角が一定
のためシャドウ効果により急激な高さ変化を正確に測定
できないことである。第３の欠点は、前記光学系が反射
面だけを測定するように構成されていることである。
情報面から対物レンズ系までの距離を決定する方法の好
ましい特性は、測定精度が高いこと、測定範囲が広いこ
と及び高い測定周波数を有していることである。一方、
この方法の欠点は、所望の自由作動距離、すなわち基準
面と対物レンズ系との間の距離によって反射放射を受光
できる角度が制限されることである。これにより測定面
の最大傾斜角が制限されてしまう。すなわち逆に言えば
被測定面の最大傾斜が大きくなると、自由作動距離が比
較的小さくなってしまう。第２の欠点は、入射角が一定
のためシャドウ効果により急激な高さ変化を正確に測定
できないことである。第３の欠点は、前記光学系が反射
面だけを測定するように構成されていることである。
従って、本発明の目的は上述した測定装置の有益の特性
を維持しつつ上述した欠点を解消することにある。この
ため、本発明による装置は、放射源ユニットを、方向が
時間に応じて変化する放射ビームを放出するように構成
し、このビームの平均方向が測定されるべき面に対して
ほぼ垂直とすると共に、ビームの方向をほぼ同一点を常
に通過する向きとし、この点がレンズ系の測定面と同一
側に位置するように構成したことを特徴とするものであ
る。
を維持しつつ上述した欠点を解消することにある。この
ため、本発明による装置は、放射源ユニットを、方向が
時間に応じて変化する放射ビームを放出するように構成
し、このビームの平均方向が測定されるべき面に対して
ほぼ垂直とすると共に、ビームの方向をほぼ同一点を常
に通過する向きとし、この点がレンズ系の測定面と同一
側に位置するように構成したことを特徴とするものであ
る。
被測定面で反射し又は拡散した放射が位置依存型放射感
知検出系上に合焦する平均位置は基準面からの距離、被
測定面の傾斜角及びラフネス、及び放射ビームの入射角
に依存する。被測定面のラフネスが既知の場合異なる角
度で放射を入射させれば他のパラメータを決定すること
ができる。
知検出系上に合焦する平均位置は基準面からの距離、被
測定面の傾斜角及びラフネス、及び放射ビームの入射角
に依存する。被測定面のラフネスが既知の場合異なる角
度で放射を入射させれば他のパラメータを決定すること
ができる。
本発明は、面の特性を決定すべき全ての場合に用いられ
ることができる。本発明は、損傷や変形を与えることな
く短時間で測定する必要がある全ての場合に特に重要で
ある。このような必要性は支持部材上の電子部品の位置
を検出する場合や高圧水銀ランプの製造におけるモリブ
デンバンドの厚さを検出する場合に生ずる。
ることができる。本発明は、損傷や変形を与えることな
く短時間で測定する必要がある全ての場合に特に重要で
ある。このような必要性は支持部材上の電子部品の位置
を検出する場合や高圧水銀ランプの製造におけるモリブ
デンバンドの厚さを検出する場合に生ずる。
上述したように、被測定面のラフネス、つまり被測定面
で反射した放射と被測定面で拡散した放射との相対比が
位置依存型放射感知検出系上の放射スポットの中心位置
に影響を与える。これは、１個の検出系を用いる場合被
測定面のラフネスが検出されて検出系の出力信号から高
さが決定されることができるものでなければならないこ
とを意味する。このような不都合を軽減すると共に同時
に被測定面の高さ及びラフネスを決定するため、本発明
の好適実施例は、ビームスプリッタが、測定されるべき
面から異なる光学的距離を以て配置した２個の位置依存
型放射感知検出系の間で被測定面で反射した放射を分割
することを特徴とする。
で反射した放射と被測定面で拡散した放射との相対比が
位置依存型放射感知検出系上の放射スポットの中心位置
に影響を与える。これは、１個の検出系を用いる場合被
測定面のラフネスが検出されて検出系の出力信号から高
さが決定されることができるものでなければならないこ
とを意味する。このような不都合を軽減すると共に同時
に被測定面の高さ及びラフネスを決定するため、本発明
の好適実施例は、ビームスプリッタが、測定されるべき
面から異なる光学的距離を以て配置した２個の位置依存
型放射感知検出系の間で被測定面で反射した放射を分割
することを特徴とする。
更に、本発明の実施例は、放射源ユニットが１個の放射
源と、１個のビーム偏向素子とを有することを特徴とす
る。このビーム偏向素子は、周波数が装置の使用状態と
一致する放射ビームを異なる角度で被測定面に確実に入
射させるために必要となる。
源と、１個のビーム偏向素子とを有することを特徴とす
る。このビーム偏向素子は、周波数が装置の使用状態と
一致する放射ビームを異なる角度で被測定面に確実に入
射させるために必要となる。
更に、本発明による表面輪郭測定装置は、ビーム偏向装
置が平面ミラーを有し、この平面ミラーがミラー面の軸
を中心にして振動すると共にビームの主光線に対して横
切るように構成することもできる。偏位置が約１゜の機
械的振動ミラーは比較的簡単に製造することができ、10
kHzのオーダの周波数で振動させることもできる。
置が平面ミラーを有し、この平面ミラーがミラー面の軸
を中心にして振動すると共にビームの主光線に対して横
切るように構成することもできる。偏位置が約１゜の機
械的振動ミラーは比較的簡単に製造することができ、10
kHzのオーダの周波数で振動させることもできる。
機械的手段を用いる場合よりも一層高い測定周波数で測
定できると共に移動部材を有しない実施例は、ビーム偏
向素子を音響光学素子とすることを特徴とする。このよ
うな素子を用いれば10MHz程度の走査周波数を得ること
ができる。
定できると共に移動部材を有しない実施例は、ビーム偏
向素子を音響光学素子とすることを特徴とする。このよ
うな素子を用いれば10MHz程度の走査周波数を得ること
ができる。
更に、本発明による表面輪郭測定装置は、放射源ユニッ
トが、複数の放射源と、これら放射源をオン及びオフに
順次切り換える制御回路とを有することを特徴とする。
この構成により高い測定周波数を比較的安価な方法で得
ることができる。
トが、複数の放射源と、これら放射源をオン及びオフに
順次切り換える制御回路とを有することを特徴とする。
この構成により高い測定周波数を比較的安価な方法で得
ることができる。
更に、本発明の実施例は、前記レンズと位置依存型放射
感知検出系との間に、1/4波長板及び偏光感知ビームス
プリッタがこの順序で配置されると共に、前記放射源ユ
ニットから放出される放射が直線偏光とされていること
を特徴とする。この結果、位置依存型放射感知検出系上
の放射強度を高めることができる。
感知検出系との間に、1/4波長板及び偏光感知ビームス
プリッタがこの順序で配置されると共に、前記放射源ユ
ニットから放出される放射が直線偏光とされていること
を特徴とする。この結果、位置依存型放射感知検出系上
の放射強度を高めることができる。
更に、本発明による表面輪郭測定装置は、前記測定され
るべき面に入射する放射ビームの方向が、互いに直交す
る２方向に同時に変化するように構成することもでき
る。放射ビームの方向を互いに直交する２方向に変化さ
せるにより両方向の傾斜測定を同時に行なうことができ
る。
るべき面に入射する放射ビームの方向が、互いに直交す
る２方向に同時に変化するように構成することもでき
る。放射ビームの方向を互いに直交する２方向に変化さ
せるにより両方向の傾斜測定を同時に行なうことができ
る。
本発明によれば、支持部材上の部品の頂部までの距離又
は基準面から支持部材までの距離を測定することにより
支持部材上の部品を検出する装置は、前述した実施例の
うちのいずれか１による表面輪郭測定装置によって上記
距離を決定することを特徴とする。
は基準面から支持部材までの距離を測定することにより
支持部材上の部品を検出する装置は、前述した実施例の
うちのいずれか１による表面輪郭測定装置によって上記
距離を決定することを特徴とする。
更に、本発明によれば支持部材上の部品を検出する装置
は、放射源ユニットから放出された放射の方向と位置依
存型放射感知検出系の出力信号との間の位相関係を決定
する回路を有する。被測定面が基準面の上方に位置する
場合の位置依存型放射感知検出系の出力信号の位相は、
測定面が基準面の下方にある場合の位相と反対となるの
で、この回路は支持部材上の部品の有無を簡単に検出す
ることができる。
は、放射源ユニットから放出された放射の方向と位置依
存型放射感知検出系の出力信号との間の位相関係を決定
する回路を有する。被測定面が基準面の上方に位置する
場合の位置依存型放射感知検出系の出力信号の位相は、
測定面が基準面の下方にある場合の位相と反対となるの
で、この回路は支持部材上の部品の有無を簡単に検出す
ることができる。
以下図面に基いて本発明を詳細に説明する。前述したよ
うに表面のラフネスは高さ測定に影響を及ぼすことにな
る。明瞭なものとするため、第1a図、第1b図及び第1c図
を参照しながら全反射面を有する場合について本発明の
原理を説明する。
うに表面のラフネスは高さ測定に影響を及ぼすことにな
る。明瞭なものとするため、第1a図、第1b図及び第1c図
を参照しながら全反射面を有する場合について本発明の
原理を説明する。
放射源ユニット10は例えばダイオードレーザ及びコリメ
ータレンズから成る放射源11を有し、この放射源11から
ミラー20に向けて細いビームを放射する。Ａ点におい
て、ミラー20がビームを１個又はそれ以上のレンズで構
成されるレンズ系40に向けて反射する。このレンズ系40
によってビームをＢ点に向けて進行させ、このＢ点はＡ
点が、レンズ系40によってミラー20上に結像する点であ
る。このＢ点を含むと共にレンズ系40の光軸と直交する
方向に延在する面は基準面として位置付けられる。鏡面
反射する物体面50で反射した放射ビームは再びレンズ系
40を通り、例えばハーフミラーから成るビームスプリッ
タ素子30によって位置検出放射検出系60に向けて反射さ
れる。物体面50が基準面と一致している場合、Ａ点はＢ
点を介して検出系60のＣ点に結像する。この場合放射ビ
ームの２個の限界光線で示されるように、軸21を中心に
して回動するミラーがミラー面内のＡ点を経て放射ビー
ム15に対して横切っても検出系60上に形成される放射ス
ポットＣの位置は変化しない。従って、ある範囲内にお
いて、位置に応じて変化する検出系60の出力信号はミラ
ー20の配置角度には依存しないことになる。
ータレンズから成る放射源11を有し、この放射源11から
ミラー20に向けて細いビームを放射する。Ａ点におい
て、ミラー20がビームを１個又はそれ以上のレンズで構
成されるレンズ系40に向けて反射する。このレンズ系40
によってビームをＢ点に向けて進行させ、このＢ点はＡ
点が、レンズ系40によってミラー20上に結像する点であ
る。このＢ点を含むと共にレンズ系40の光軸と直交する
方向に延在する面は基準面として位置付けられる。鏡面
反射する物体面50で反射した放射ビームは再びレンズ系
40を通り、例えばハーフミラーから成るビームスプリッ
タ素子30によって位置検出放射検出系60に向けて反射さ
れる。物体面50が基準面と一致している場合、Ａ点はＢ
点を介して検出系60のＣ点に結像する。この場合放射ビ
ームの２個の限界光線で示されるように、軸21を中心に
して回動するミラーがミラー面内のＡ点を経て放射ビー
ム15に対して横切っても検出系60上に形成される放射ス
ポットＣの位置は変化しない。従って、ある範囲内にお
いて、位置に応じて変化する検出系60の出力信号はミラ
ー20の配置角度には依存しないことになる。
第1b図は、反射面50が距離ｚだけレンズ系40に向けて移
動する場合関係がどのように変化するかを示す。２個の
限界位置で示される入射放射ビームは反射されると共に
基準面から距離2zだけ上方のＢ′点で光軸と交差する。
ビームスプリッタ30を経てレンズ系40によって形成され
るＢ′の像Ｃ′は位置に依存する放射検出系60の後方に
位置する。ミラー20の軸21を中心とする振動によって、
検出系60上に形成されるスポットが偏位し、検出系60の
出力信号は振幅が反射面50と基準面との間の距離ｚの測
定値となる振動を表わすことになる。
動する場合関係がどのように変化するかを示す。２個の
限界位置で示される入射放射ビームは反射されると共に
基準面から距離2zだけ上方のＢ′点で光軸と交差する。
ビームスプリッタ30を経てレンズ系40によって形成され
るＢ′の像Ｃ′は位置に依存する放射検出系60の後方に
位置する。ミラー20の軸21を中心とする振動によって、
検出系60上に形成されるスポットが偏位し、検出系60の
出力信号は振幅が反射面50と基準面との間の距離ｚの測
定値となる振動を表わすことになる。
反射面50が基準面に対して平行に延在していない場合反
射ビームの交点は光軸上に位置しない。従って、位置依
存型放射検出系60上の放射スポットの位置は、大きさが
距離ｚ及び反射面50と基準面とのなす角度に依存する変
位を表わすことになる。このことは、高さｚだけでなく
面50の傾斜角も平均レベル及び出力信号の振幅から取り
出されることを意味する。
射ビームの交点は光軸上に位置しない。従って、位置依
存型放射検出系60上の放射スポットの位置は、大きさが
距離ｚ及び反射面50と基準面とのなす角度に依存する変
位を表わすことになる。このことは、高さｚだけでなく
面50の傾斜角も平均レベル及び出力信号の振幅から取り
出されることを意味する。
第1c図は面50が基準面から距離ｚだけ下方に位置する場
合の関係を示す。明らかなように、面50で反射した放射
は基準面から距離2zだけ下方のＢ″点で光軸と交差し、
像点Ｃ″では検出系60の前側に位置する。このことは、
検出系60の出力信号の位相が、面50が基準面の上方に位
置する場合の位相と反対となることを意味する。面50が
基準面に対して傾斜している場合の高さ及び角度の測定
値は、第1b図に関する関係について説明した場合と同様
である。
合の関係を示す。明らかなように、面50で反射した放射
は基準面から距離2zだけ下方のＢ″点で光軸と交差し、
像点Ｃ″では検出系60の前側に位置する。このことは、
検出系60の出力信号の位相が、面50が基準面の上方に位
置する場合の位相と反対となることを意味する。面50が
基準面に対して傾斜している場合の高さ及び角度の測定
値は、第1b図に関する関係について説明した場合と同様
である。
第2a図、第2b図及び第2c図は本発明による原理を用いて
マット状の表面を測定する構成を示す。
マット状の表面を測定する構成を示す。
第2a図において完全なマット面50は基準面と一致してい
る。１個の位置だけで示されているマット面50に入射し
たビームはＢ点に放射スポットを形成し、このスポット
は面50上に位置する放射源としてみなすことができる。
このスポットはレンズ系40によってビームスプリッタ30
を経て位置依存型検出系60上のＣ点に結像する。面50上
の放射スポットの位置は、ミラー20の位置に依存しない
ので、検出系60の出力信号はミラー20が回動しても一定
である。
る。１個の位置だけで示されているマット面50に入射し
たビームはＢ点に放射スポットを形成し、このスポット
は面50上に位置する放射源としてみなすことができる。
このスポットはレンズ系40によってビームスプリッタ30
を経て位置依存型検出系60上のＣ点に結像する。面50上
の放射スポットの位置は、ミラー20の位置に依存しない
ので、検出系60の出力信号はミラー20が回動しても一定
である。
第2b図においてマット面50は基準面から距離ｚだけ上方
に位置する。ミラー20が回動すると、面50に入射するビ
ームによって形成される放射スポットは、距離ｚに比例
する振幅を以て偏位する。レンズ系40によってこのスポ
ットをビームスプリッタ30を介してＥ′点に結像し、こ
のＥ′点は位置依存型検出系60の後側の面内で偏位す
る。位置依存型検出系60上に形成された面50の放射スポ
ットの像は非合焦となる。検出系60の出力信号はこの検
出系に入射する放射の中心位置に比例するが、この放射
スポットの大きさが検出系60の寸法に対して小さいなら
ばこのフォーカシングエラーは出力信号にほとんど影響
を及ぼさない。ミラー20が回動すると光スポットが面50
上を移動し、検出系60上の像はこれに応じて偏位し、こ
の結果出力信号に振動が生ずる。距離ｚが同一の場合完
全なマット面における出力信号の振幅は、反射面の場合
における対応する振幅の半分に等しい。面50における入
射点が傾斜している場合この面上に形成される放射スポ
ットの最大偏位は２方向で相異するので、面50と基準面
との間の角度の大きさは出力信号の非対称性から求める
ことができる。
に位置する。ミラー20が回動すると、面50に入射するビ
ームによって形成される放射スポットは、距離ｚに比例
する振幅を以て偏位する。レンズ系40によってこのスポ
ットをビームスプリッタ30を介してＥ′点に結像し、こ
のＥ′点は位置依存型検出系60の後側の面内で偏位す
る。位置依存型検出系60上に形成された面50の放射スポ
ットの像は非合焦となる。検出系60の出力信号はこの検
出系に入射する放射の中心位置に比例するが、この放射
スポットの大きさが検出系60の寸法に対して小さいなら
ばこのフォーカシングエラーは出力信号にほとんど影響
を及ぼさない。ミラー20が回動すると光スポットが面50
上を移動し、検出系60上の像はこれに応じて偏位し、こ
の結果出力信号に振動が生ずる。距離ｚが同一の場合完
全なマット面における出力信号の振幅は、反射面の場合
における対応する振幅の半分に等しい。面50における入
射点が傾斜している場合この面上に形成される放射スポ
ットの最大偏位は２方向で相異するので、面50と基準面
との間の角度の大きさは出力信号の非対称性から求める
ことができる。
第2c図はマット面50が基準面から距離ｚだけ下側に位置
する場合を示す。位置依存型検出系60の出力信号の位相
が第2b図の場合に得られる出力信号の位相と反対となる
ことを除いて、第2b図に関する構成の説明とほとんど同
一である。
する場合を示す。位置依存型検出系60の出力信号の位相
が第2b図の場合に得られる出力信号の位相と反対となる
ことを除いて、第2b図に関する構成の説明とほとんど同
一である。
鏡面反射の場合の本発明の原理はマット面の場合と同様
に次のように要約することができる。基準面は対物レン
ズ系40によって放射検出系上に結像される。強度のファ
クタを無視すれば、検出系60の光感知面上の放射分布は
基準面内の実際上の放射分布に等しい。基準面内の放射
は、面50によって拡散されると共に中心が面50上の放射
スポットと同一の距離だけレンズ系40の光軸から離れて
位置する放射と、基準面内での位置が既知の反射法則に
従って位置、傾き及び面50上の放射ビームの入射角に依
存する反射放射とを含んでいる。一般的に面は完全な反
射面又は完全なマット面ではないので、検出系の出力信
号は反射放射と拡散放射の間の相対比に依存することに
なる。
に次のように要約することができる。基準面は対物レン
ズ系40によって放射検出系上に結像される。強度のファ
クタを無視すれば、検出系60の光感知面上の放射分布は
基準面内の実際上の放射分布に等しい。基準面内の放射
は、面50によって拡散されると共に中心が面50上の放射
スポットと同一の距離だけレンズ系40の光軸から離れて
位置する放射と、基準面内での位置が既知の反射法則に
従って位置、傾き及び面50上の放射ビームの入射角に依
存する反射放射とを含んでいる。一般的に面は完全な反
射面又は完全なマット面ではないので、検出系の出力信
号は反射放射と拡散放射の間の相対比に依存することに
なる。
第３図は種々の効果による寄与を線図的に示す。第３図
において法線が対物レンズ系の光軸Ａ−Ａ′に対して角
度βを以て延在する面Ｏ−Ｏ′を示す。入射放射の細い
ビームはラインL1及びL2で示される２本の限界位置内に
表わされ、各ラインL1及びL2は光軸に対して角度αをな
している。この関係は一般的な関係であり、基準面の代
りに基準面に平行に延在し距離ｄだけ離間する面Ｖ−
Ｖ′が位置依存型放射検出系上に結像される。
において法線が対物レンズ系の光軸Ａ−Ａ′に対して角
度βを以て延在する面Ｏ−Ｏ′を示す。入射放射の細い
ビームはラインL1及びL2で示される２本の限界位置内に
表わされ、各ラインL1及びL2は光軸に対して角度αをな
している。この関係は一般的な関係であり、基準面の代
りに基準面に平行に延在し距離ｄだけ離間する面Ｖ−
Ｖ′が位置依存型放射検出系上に結像される。
位置依存型放射感知検出系60の出力信号のピーク対ピー
ク振幅Ａは次のように表わされる。
ク振幅Ａは次のように表わされる。
Ａ（ｚ）＝ｃ｛sR（ｚ）＋（１−ｓ）Ｖ（ｚ）｝ ここで、ｃは光学的因子、変換因子及び適用可能な場合
の利得因子を含む比例定数、ｓは鏡面反射放射の量と面
50で反射した放射の量との比、Ｒ（ｚ）は面Ｖ−Ｖ′の
鏡面反射放射の重み中心の偏位のピーク対ピーク振幅、
Ｖ（ｚ）は対物レンズ系で受光されたＶ−Ｖ′面内の拡
散放射のピーク対ピーク振幅である。角度α及びβの値
が対物レンズ系の開口数に比べて小さい場合、対物レン
ズ系の限定開口角に基く誤差は無視することができる。
の利得因子を含む比例定数、ｓは鏡面反射放射の量と面
50で反射した放射の量との比、Ｒ（ｚ）は面Ｖ−Ｖ′の
鏡面反射放射の重み中心の偏位のピーク対ピーク振幅、
Ｖ（ｚ）は対物レンズ系で受光されたＶ−Ｖ′面内の拡
散放射のピーク対ピーク振幅である。角度α及びβの値
が対物レンズ系の開口数に比べて小さい場合、対物レン
ズ系の限定開口角に基く誤差は無視することができる。
第３図から次式が導かれる。
Ｒ（ｚ）＝（ｚ＋ｄ＋Δz1）tan（α＋ｄβ） ＋（ｚ＋Δz1）tanα＋（ｚ−Δz2）tanα ＋（ｚ＋ｄ−Δz2）tan（α−２β） ここで、Δz1＝z tanαtanβ／（１−tanαtanβ）； Δz2＝z tanαtanβ／（１＋tanαtanβ） ここで、αは放射ビームの最大入射角であり、βは物体
の傾斜角である。面50がマット面の場合面Ｖ−Ｖ′内で
の放射分布の中心は光軸から面50上の放射スポットとほ
ぼ同一の距離だけ離れて位置するので、Ｖ（ｚ）は次の
ように表わすことができる。
の傾斜角である。面50がマット面の場合面Ｖ−Ｖ′内で
の放射分布の中心は光軸から面50上の放射スポットとほ
ぼ同一の距離だけ離れて位置するので、Ｖ（ｚ）は次の
ように表わすことができる。
Ｖ（ｚ）＝2z tanα／（１−tan2αtan2β） 放射感知検出器の出力信号の平均は、 Ｍ（ｚ）＝ｃ｛sMR（ｚ）＋（１−ｓ）MV（ｚ）｝ ここで、ｃ及びｓは上記のものと同一の内容を有し、MR
及びMVは基準面内における反射放射及び拡散放射にそれ
ぞれ対する振動中心である。
及びMVは基準面内における反射放射及び拡散放射にそれ
ぞれ対する振動中心である。
第３図からMR（ｚ）及びMV（ｚ）は次のようになる。
MR（ｚ）＝1/2｛（ｚ＋ｄ＋Δz1）tan（α＋２β） ＋（ｚ＋Δz1）tanα−（ｚ−Δz2）tanα −（ｚ＋ｄ−Δz2）tan（α−２β）｝ MV（ｚ）＝1/2｛（ｚ＋Δz1）tanα−（ｚ−Δz2）tan
α｝ Ｍ（ｚ）及びＡ（ｚ）を与える２個の式において、検出
すべき３個のパラメータ（z,β,s）は装置の定数（c,d,
α）及び測定可能なパラメータ（A,M）に関係する。最
終の決定については少なくとも１個以上の同様な関係式
が必要である。
α｝ Ｍ（ｚ）及びＡ（ｚ）を与える２個の式において、検出
すべき３個のパラメータ（z,β,s）は装置の定数（c,d,
α）及び測定可能なパラメータ（A,M）に関係する。最
終の決定については少なくとも１個以上の同様な関係式
が必要である。
第４図は本発明による装置でどのようにしてこの別の関
係が得られるかを示す。第１のビームスプリッタ30と第
１の位置依存型放射感知検出系60との間に第２のビーム
スプリッタ35を配置し、この第２のビームスプリッタ35
によって反射放射の一部を第２の位置依存型放射感知検
出系70に向けて反射する。本例では、第１のビームスプ
リッタ30を1/4波長板31と協働する偏光感知分割プリズ
ムとする。この第２の検出系70は、対物レンズ系40によ
って結像される面が第１の検出系60の結像面よりも別の
光学距離だけ離れて位置するように配置する。
係が得られるかを示す。第１のビームスプリッタ30と第
１の位置依存型放射感知検出系60との間に第２のビーム
スプリッタ35を配置し、この第２のビームスプリッタ35
によって反射放射の一部を第２の位置依存型放射感知検
出系70に向けて反射する。本例では、第１のビームスプ
リッタ30を1/4波長板31と協働する偏光感知分割プリズ
ムとする。この第２の検出系70は、対物レンズ系40によ
って結像される面が第１の検出系60の結像面よりも別の
光学距離だけ離れて位置するように配置する。
このように構成することにより、装置のパラメータと測
定されるべき３個の量との間の別の独立した関係が得ら
れる。
定されるべき３個の量との間の別の独立した関係が得ら
れる。
原理的に、この所定の関係により、s,β及びｚのパラメ
ータが装置のパラメータ及び測定した信号のパラメータ
として記載されている式を見い出すことができる。
ータが装置のパラメータ及び測定した信号のパラメータ
として記載されている式を見い出すことができる。
角度α及びβが小さな値に限定されている場合信号処理
で簡単な必要条件を満す実施例を実現することができ
る。ピーク対ピーク振幅は次式で近似することができ
る。
で簡単な必要条件を満す実施例を実現することができ
る。ピーク対ピーク振幅は次式で近似することができ
る。
Ｒ（ｚ）＝2z tanα＋（ｚ＋ｄ）｛tan（α＋２β） ＋tan（α−２β）｝ Ｖ（ｚ）＝2z tanα 角度α及びβが５゜以下の場合これらの式の相対誤差は
１％以下である。
１％以下である。
振幅、比例定数及び基準面から結像面（第３図のＶ−
Ｖ′）までの距離が、検出系60についてそれぞれA1,c1
及びd1であり、検出系70についてはそれぞれA2,c2及びd
2であればピーク対ピーク振幅は次のようになるであろ
う。
Ｖ′）までの距離が、検出系60についてそれぞれA1,c1
及びd1であり、検出系70についてはそれぞれA2,c2及びd
2であればピーク対ピーク振幅は次のようになるであろ
う。
A1（ｚ）＝c1｛ｚ（ａ＋sb）＋d1sb｝ A2（ｚ）＝c2｛ｚ（ａ＋sb）＋d2sb｝ ここで、ａは2 tanαを表わし、ｂはtan（α＋２β）＋
tan（α−２β）を表わす。ｚ＝（d2c2A1−d1c1A2）／
｛c1A2−c2A1＋c1c2（d2−d1）ａ｝として簡単に求める
ことができる。この計算はアナログ電子回路によって簡
単に行なうことができる。距離d1＝０の場合、高さの式
は ｚ＝（d2A1c2/c1）／（A2−A1C2/c1＋c2d2a） として表わすことができる。第5a図はこの事項を理解す
るためのブロック線図である。位置依存型放射感知検出
系60の出力信号に増幅回路62で因子−c2/c1を乗算し、
この後この信号を分割する。一方の枝路において増幅器
63によってこの信号に因子−d2を乗算し、他の枝路にお
いては加算装置75によってこの信号に検出系70の出力信
号及ひ信号源80からのc2d2aに等しい定数信号を加算す
る。アナログ除算器81において増幅器63の出力信号を加
算器75の出力信号で除算する。この結果、除算器81の出
力信号は測定されるべき高さｚに比例することになる。
tan（α−２β）を表わす。ｚ＝（d2c2A1−d1c1A2）／
｛c1A2−c2A1＋c1c2（d2−d1）ａ｝として簡単に求める
ことができる。この計算はアナログ電子回路によって簡
単に行なうことができる。距離d1＝０の場合、高さの式
は ｚ＝（d2A1c2/c1）／（A2−A1C2/c1＋c2d2a） として表わすことができる。第5a図はこの事項を理解す
るためのブロック線図である。位置依存型放射感知検出
系60の出力信号に増幅回路62で因子−c2/c1を乗算し、
この後この信号を分割する。一方の枝路において増幅器
63によってこの信号に因子−d2を乗算し、他の枝路にお
いては加算装置75によってこの信号に検出系70の出力信
号及ひ信号源80からのc2d2aに等しい定数信号を加算す
る。アナログ除算器81において増幅器63の出力信号を加
算器75の出力信号で除算する。この結果、除算器81の出
力信号は測定されるべき高さｚに比例することになる。
第5b図は構成がわずかに異なる回路装置を示す。この装
置は、検出系が入射放射分布の重み中心ではなく全放射
強度で乗算された放射分布及び全放射強度に比例する信
号を検出する場合に用いることができる。振幅に関する
式は、 Ａ′（ｚ）＝Ｃ・Ｉ｛ｚ（ａ＋sb）＋dsb｝となる。
置は、検出系が入射放射分布の重み中心ではなく全放射
強度で乗算された放射分布及び全放射強度に比例する信
号を検出する場合に用いることができる。振幅に関する
式は、 Ａ′（ｚ）＝Ｃ・Ｉ｛ｚ（ａ＋sb）＋dsb｝となる。
ここで、Ａ′（ｚ）＝Ｉ・Ａ（ｚ）である。
また、ｚに関する式は ｚ＝（d2A1′c2/c1）／（A2′c2/c1/c2I2d2a） となる。第5b図の回路装置は第5a図の回路装置に比べ
て、信号源80から供給される定数信号が検出系70の強度
に比例する信号で置き換えられ、この比例信号は増幅器
73において強度信号に因子c2d2を乗算することによって
得られる。
て、信号源80から供給される定数信号が検出系70の強度
に比例する信号で置き換えられ、この比例信号は増幅器
73において強度信号に因子c2d2を乗算することによって
得られる。
ｚに関する最後の式は、商の分母が検出系によって受光
される放射強度、つまり放射源から放出される放射強度
に比例することを意味する。従って、放射強度を変化さ
せることによってｚに関する式の分母に定数を与えるこ
とができ、このため検出系60の出力信号の値は測定され
るべき高さｚに直接比例する。このことは高価なアナロ
グ除算回路を不要とすることができることを意味する。
される放射強度、つまり放射源から放出される放射強度
に比例することを意味する。従って、放射強度を変化さ
せることによってｚに関する式の分母に定数を与えるこ
とができ、このため検出系60の出力信号の値は測定され
るべき高さｚに直接比例する。このことは高価なアナロ
グ除算回路を不要とすることができることを意味する。
第６図は、このような装置のブロック線図を示す。比較
器77で加算装置75の出力信号を信号源76からの基準信号
と比較する。放射源用の制御回路78は、加算装置75の出
力信号が基準信号と等しくなるまで放射源の放射強度を
制御する。従って、高さｚは直接に位置依存型放射感知
検出系60の出力信号の大きさとなる。
器77で加算装置75の出力信号を信号源76からの基準信号
と比較する。放射源用の制御回路78は、加算装置75の出
力信号が基準信号と等しくなるまで放射源の放射強度を
制御する。従って、高さｚは直接に位置依存型放射感知
検出系60の出力信号の大きさとなる。
前述の説明は、測定されるべき面に入射する放射ビーム
の種々の方向が同一面内に位置する装置に基いている。
本発明の実施例では、例えば２個の振動ミラーにより放
出された放射が互いに直交する２方向に変化させられる
放射源を具えることもできる。
の種々の方向が同一面内に位置する装置に基いている。
本発明の実施例では、例えば２個の振動ミラーにより放
出された放射が互いに直交する２方向に変化させられる
放射源を具えることもできる。
第7a図、第7b図及び第7c図は第１図、第２図及び第４図
の振動ミラーの代りに放射源ユニット内に配置したビー
ム偏向素子の３種の例を示す。
の振動ミラーの代りに放射源ユニット内に配置したビー
ム偏向素子の３種の例を示す。
第7a図は音響振動が電子信号源121によって生成される
音響光学素子120を示す。放射ビームの方向は既知の方
法で変化する。
音響光学素子120を示す。放射ビームの方向は既知の方
法で変化する。
第7b図は放出ビームが互いにある角度を形成する２個の
放射源122及び123を有する放射源ユニットを示す。制御
ユニット124によって放射源122及び123を交互にオン・
オフさせ、放射源ユニットから放出するビームの方向を
周期的に変化させる。このような光源ユニットは、例え
ば円環状に配置した２個以上の放射源を具えることもで
きることは明らかである。
放射源122及び123を有する放射源ユニットを示す。制御
ユニット124によって放射源122及び123を交互にオン・
オフさせ、放射源ユニットから放出するビームの方向を
周期的に変化させる。このような光源ユニットは、例え
ば円環状に配置した２個以上の放射源を具えることもで
きることは明らかである。
第7c図は、円筒体126の端面にミラー125を形成し、ミラ
ー面の法線と円筒体の軸との間に小さな角度をもたせた
ビーム偏向装置を示す。駆動装置により円筒体126をそ
の軸を中心に回転させると、入射放射ビーム15が適切に
反射し反射ビームの方向が互いに直交する２方向に振動
することになる。
ー面の法線と円筒体の軸との間に小さな角度をもたせた
ビーム偏向装置を示す。駆動装置により円筒体126をそ
の軸を中心に回転させると、入射放射ビーム15が適切に
反射し反射ビームの方向が互いに直交する２方向に振動
することになる。
第８図は支持部材上の測定すべき部品の位置を検出する
ための本発明の装置を示す。第８図において、参照番号
100は上述した高さ測定装置を線図的に示す。支持部材1
10は支持部材からの高さが異なる部品112を移送する。
支持部材110は高さ測定装置の下部で例えば駆動系114に
よって第１方向に移動し、高さ測定装置100は例えば駆
動系115によって第１方向と直交する第２方向に移動
し、これら第１及び第２方向は支持部材の面に対して平
行とする。２個の駆動系114及び115は制御装置118によ
って適切に制御され、全表面領域が対物レンズの下側を
通過し、例えばジィッグ−ザッグ移動させる。支持部材
の移動は連続又はステップ移動とする。この移動をスロ
ーで行なえば、部品が存在するか欠落しているかをどの
位置においても確認することができる。
ための本発明の装置を示す。第８図において、参照番号
100は上述した高さ測定装置を線図的に示す。支持部材1
10は支持部材からの高さが異なる部品112を移送する。
支持部材110は高さ測定装置の下部で例えば駆動系114に
よって第１方向に移動し、高さ測定装置100は例えば駆
動系115によって第１方向と直交する第２方向に移動
し、これら第１及び第２方向は支持部材の面に対して平
行とする。２個の駆動系114及び115は制御装置118によ
って適切に制御され、全表面領域が対物レンズの下側を
通過し、例えばジィッグ−ザッグ移動させる。支持部材
の移動は連続又はステップ移動とする。この移動をスロ
ーで行なえば、部品が存在するか欠落しているかをどの
位置においても確認することができる。
高さ、ラフネス及び上面の傾斜に基いて試料を同定する
には、２個の位置依存型放射感知検出系を有する高さ測
定装置を用いる必要がある。
には、２個の位置依存型放射感知検出系を有する高さ測
定装置を用いる必要がある。
部品が予め定めた位置で支持部材上に存在するか否かだ
けを決定する場合には、高さ測定装置を比較的簡単な構
造とすることができる。位置依存放射型感知検出系は１
個だけあれば機能することができ、電子回路は出力信号
の位相を放射源ユニットから放射された放射ビームの方
向の位相と比較する回路を具えらればよい。支持部材の
高さは調整されねばならず、従って支持部材の面は基準
面より下方に位置させ、検出されるべき最も低い部品の
上面は基準面の上方に位置させる。例えば出力信号の位
相が放射源ユニットと同相の場合部品は存在し、位相が
反対の場合には部品は存在しないことになる。
けを決定する場合には、高さ測定装置を比較的簡単な構
造とすることができる。位置依存放射型感知検出系は１
個だけあれば機能することができ、電子回路は出力信号
の位相を放射源ユニットから放射された放射ビームの方
向の位相と比較する回路を具えらればよい。支持部材の
高さは調整されねばならず、従って支持部材の面は基準
面より下方に位置させ、検出されるべき最も低い部品の
上面は基準面の上方に位置させる。例えば出力信号の位
相が放射源ユニットと同相の場合部品は存在し、位相が
反対の場合には部品は存在しないことになる。
第1a図、第1b図及び第1c図は全反射面の場合の本発明の
原理を示す線図、 第2a図、第2b図及び第2c図は完全なマット面の場合の本
発明の原理を示す線図、 第３図は測定信号及び装置のパラメータと被測定面との
関係を示す線図、 第４図は被測定面の高さ、傾斜及びラフネスを同時に測
定する例を示す線図、 第5a図及び第5b図はラフネス及び傾斜が既知の場合の高
さを相似測定するためのブロック線図、 第６図は高さを決定する交互回路のブロック線図、 第7a図、第7b図及び第7c図は光源ユニットの変形例を示
す線図、 第８図は本発明による支持面上の部品位置を検出する装
置の構成を示す線図である。 10……放射源ユニット、11……放射源 15……放射ビーム、20……振動ミラー 30,35……ビームスプリッタ素子 31……1/4波長板、40……対物レンズ系 50……物体面 60,70……位置依存型放射感知検出系 100……高さ測定装置、110……支持部材 112……部品、114,115……駆動系 118……制御装置、120……音響光学素子 122,123……放射源、126……円筒体
原理を示す線図、 第2a図、第2b図及び第2c図は完全なマット面の場合の本
発明の原理を示す線図、 第３図は測定信号及び装置のパラメータと被測定面との
関係を示す線図、 第４図は被測定面の高さ、傾斜及びラフネスを同時に測
定する例を示す線図、 第5a図及び第5b図はラフネス及び傾斜が既知の場合の高
さを相似測定するためのブロック線図、 第６図は高さを決定する交互回路のブロック線図、 第7a図、第7b図及び第7c図は光源ユニットの変形例を示
す線図、 第８図は本発明による支持面上の部品位置を検出する装
置の構成を示す線図である。 10……放射源ユニット、11……放射源 15……放射ビーム、20……振動ミラー 30,35……ビームスプリッタ素子 31……1/4波長板、40……対物レンズ系 50……物体面 60,70……位置依存型放射感知検出系 100……高さ測定装置、110……支持部材 112……部品、114,115……駆動系 118……制御装置、120……音響光学素子 122,123……放射源、126……円筒体
Claims (10)
- 【請求項１】放射源ユニットと、この放射源ユニットか
ら放出される放射を屈折させて測定面上に放射スポット
を形成するレンズ系と、被測定面で反射された放射の光
路内に配置した位置依存型放射感知検出系とを具える光
学式表面輪郭測定装置において、前記放射源ユニット
を、方向が時間に応じて変化する放射ビームを放出する
ように構成し、このビームの平均方向が測定されるべき
面に対してほぼ垂直とすると共に、ビームの方向をほぼ
同一点を常に通過する向きとし、この点がレンズ系の測
定面と同一側に位置するように構成したことを特徴とす
る光学式表面輪郭測定装置。 - 【請求項２】ビームスプリッタが、測定されるべき面か
ら異なる光学的距離を以て配置した２個の位置依存型放
射感知検出系の間で被測定面で反射した放射を分割する
ように構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の光学式表面輪郭測定装置。 - 【請求項３】前記放射源ユニットが１個の放射源と、１
個のビーム偏向素子とを有することを特徴とする特許請
求の範囲第１項又は第２項記載の光学式表面輪郭測定装
置。 - 【請求項４】前記ビーム偏向装置が平面ミラーを有し、
この平面ミラーがミラー面の軸を中心にして振動すると
共にビームの主光線に対して横切るように構成したこと
を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光学式表面輪
郭測定装置。 - 【請求項５】前記ビーム偏光素子を、音響光学素子とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光学式
表面輪郭測定装置。 - 【請求項６】前記放射源ユニットが、複数の放射源と、
これら放射源をオン及びオフに順次切り換える制御回路
とを有することを特徴とする特許請求の範囲第１項また
は第２項記載の光学式表面輪郭測定装置。 - 【請求項７】前記レンズと位置依存型放射感知検出系と
の間に、1/4波長板及び偏光感知ビームスプリッタがこ
の順序で配置されると共に、前記放射源ユニットから放
出される放射が直線偏光とされていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項から第６項のいずれか１に記載の
光学式表面輪郭測定装置。 - 【請求項８】前記測定されるべき面に入射する放射ビー
ムの方向が、互いに直交する２方向に同時に変化するよ
うに構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項か
ら第７項のいずれか１に記載の光学式表面輪郭測定装
置。 - 【請求項９】支持部材上の特定の位置の電子部品の存在
を検出する装置であって、光学式検出装置と、この検出
装置及び前記支持部材を互いに相対的に移動させる駆動
手段とを具える支持部材上の電子部品検出装置におい
て、前記検出装置を、部品を支持する支持部材と基準面
との間の距離を決定するための前記特許請求の範囲第１
項から第８項のいずれか１に記載の表面輪郭測定装置と
したことを特徴とする支持部材上の電子部品検出装置。 - 【請求項１０】前記放射源ユニットから放出された放射
の方向と位置依存型放射感知検出系の出力信号との間の
位相関係を決定する回路を有することを特徴とする特許
請求の範囲第９項記載の支持部材上の電子部品検出装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL8503182A NL8503182A (nl) | 1985-11-19 | 1985-11-19 | Inrichting voor het langs optische weg meten van een oppervlakteprofiel. |
| NL8503182 | 1985-11-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62121305A JPS62121305A (ja) | 1987-06-02 |
| JPH0726821B2 true JPH0726821B2 (ja) | 1995-03-29 |
Family
ID=19846892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61272036A Expired - Lifetime JPH0726821B2 (ja) | 1985-11-19 | 1986-11-17 | 光学式表面輪郭測定装置 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4808003A (ja) |
| EP (1) | EP0227136B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0726821B2 (ja) |
| KR (1) | KR940003916B1 (ja) |
| AT (1) | ATE54489T1 (ja) |
| DE (1) | DE3672583D1 (ja) |
| NL (1) | NL8503182A (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5113082A (en) * | 1990-09-11 | 1992-05-12 | Moshe Golberstein | Electro-optical instrument with self-contained photometer |
| NL9100205A (nl) * | 1991-02-06 | 1992-09-01 | Philips Nv | Inrichting voor het optisch meten van de hoogte van een oppervlak. |
| GB9107740D0 (en) * | 1991-04-11 | 1991-05-29 | Atomic Energy Authority Uk | Method of monitoring displacements |
| WO1998024291A2 (en) * | 1996-11-26 | 1998-06-04 | Philips Electronics N.V. | Method and machine for placing components on a carrier and a calibration carrier detection device for use in the method and in the machine |
| WO2001004604A1 (en) * | 1999-07-10 | 2001-01-18 | Semiconductor Technologies & Instruments, Inc. | Post-seal inspection system and method |
| DE202004009727U1 (de) | 2004-06-21 | 2004-10-07 | Trioptics Gmbh | Vorrichtung zur Messung von Winkeln optischer Oberflächen |
| JP2016201002A (ja) * | 2015-04-10 | 2016-12-01 | 船井電機株式会社 | 位置検出装置及び空間入力装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3692414A (en) | 1971-02-24 | 1972-09-19 | Harry L Hosterman | Non-contacting measuring probe |
| US3876841A (en) | 1972-05-11 | 1975-04-08 | Philips Corp | Apparatus for reading a flat reflecting record carrier with autofocusing means |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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