JPS6333083B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は物体表面の微細な凹凸を非接触で高
速、高精度に測定する表面粗さ測定装置に関す
る。

物体表面の凹凸を非接触で測定する方式に、被
測定物体の表面に微細パターンを投影してその映
像のコントラストが最大となるようにすなわち物
体表面が光学系の合焦点面に位置するように自動
焦点合せサーボ機構を制御し、その制御量から表
面の凹凸を測定する方式がある。

この方式は、合焦点近くでは投影パターンのコ
ントラストが大きくかつ焦点ずれによるコントラ
スト変化も大きいためコントラスト変化による自
動焦点合せの制御が可能であるが焦点ずれ量が大
きい場合コントラストが小さくなりサーボ機構の
正確な制御が困難となる。

そこで合焦点面から大きく離れた領域での制御
信号として、第１図に示すように被測定物体２０
０の表面に斜め上方からレーザビーム２０１を照
射し、物体表面の光点位置から、その垂直方向の
位置を検出する方式を用いている。この場合光点
位置検出器として、光点位置検出用ホトダイオー
ドを用いると第２図に示すように焦点ずれの方向
に対応した極性の検出信号１０１を得ることがで
きる。

その結果コントラストの検出信号１０２と光点
位置の検出信号１０１を組合せることにより、制
御可能領域を大幅に拡大することができる。

しかしながら光点位置検出法の欠点として、レ
ーザビーム２００の被測定物体２００への照射面
が第３図に示すように傾斜面の場合、反射方向が
水平面の場合と異なつてくるため被測定物体表面
位置の正しい検出ができない。その結果、自動焦
点合せサーボ機構が合焦点位置から遠ざかる方向
に移動する可能性が生じ、自動焦点合せ機能が保
障されなくなる。

また、光点位置検出とコントラスト検出の２系
統の検出系を有するためそれぞれが合焦点と判定
する位置にずれが生じた場合光点位置検出による
焦点合せが完了してもコントラスト検出による焦
点合せ動作に移れず精密な焦点合せが不可能とな
る場合が生ずる。

本発明の目的は上記した欠点をなくし光点位置
検出が正常に作動しない場合でも自動焦点合せの
可能な自動化された表面粗さ測定装置を提供する
にある。

上記目的を達成するために本発明においては被
測定物体表面検出手段として(a)物体表面に投影し
た微細パターンのコントラストの検出(b)物体表面
からのレーザビーム反射光を検出する光点位置検
出の２手段を設け、さらに焦点調節のためのサー
ボ機構の可動範囲の限界を検出するリミツト検出
手段を備え、自動焦点サーボの制御方式として上
記(a)によるコントラスト検出信号が所定レベル以
上現れる場合は該コントラスト検出信号により制
御し、該コントラスト検出信号が所定レベル以下
の場合は上記(b)の光点位置検出信号により制御す
ることを基本とするが特殊な場合の対応策として
次の機能を持たせて構成する。

第４図に示すように光点位置検出信号１０１が
合焦点位置と判断する位置Ｐとコントラスト検出
値１０２が最大となる位置Z₀が大きくずれている
場合、光点位置検出信号によりサーボ機構を制御
すると目標位置Ｐで停止するためコントラスト信
号の有効領域に到達できない。その対策として光
点位置検出信号１０１による制御においてサーボ
機構の移動目標点すなわち第３図のＰに到達して
もコントラスト検出値のレベルが所定のレベル以
下であるときは光点位置検出が正しく行なわれて
いないと判断し、光点位置検出信号による制御を
解除し、機械的に一定の範囲内でコントラスト検
出信号が得られる場所をさがす。

焦点合せ機構可能範囲の端部にあるリミツトス
イツチを検出したとき、コントラスト信号による
制御中であれば、合焦点面が焦点合せ機構の可動
範囲外であると判断し、光点位置検出信号による
制御中であれば光点位置検出信号が誤検出をして
いるとみなし、該信号による制御を解除し、焦点
合せ機構の移動方向を反転させてコントラスト信
号の検出される位置をさがす。

この場合他端の限界まで移動してもコントラス
ト信号が検出されない場合は何らかの原因でコン
トラスト信号が得られないものと判断し、「異常」
を表示する。これにより自動焦点合せ動作が不能
であるにもかかわらず装置が動作しつづけるのを
防止する。

以上の機能を組合せることにより各種の異常状
態の発生に対する誤動作の防止を可能とした。

以下実施例により詳細に説明する。

第５図は本発明の実施例を示す概要構成図であ
る。１は白色光源、２は照明用のレンズである。
３はフイルタであり、４は一定周期パターンマス
クである。なおパターンは第６図に示すように透
光部Ｗと遮光部Ｄのくり返しパターンである。こ
のパターンがハーフミラ７、レンズ１３により試
料台１９に載せた被測定物体２００の表面に投影
される。投影されたパターンはレンズ１３により
撮像素子１２で撮像する。８はハーフミラであり
１１は色フイルタである。

また光点位置検出用の光源であるレーザダイオ
ード５からのレーザビームをミラ６、ハーフミラ
７、レンズ１３を通して被測定物体表面に照射し
その反射光を光点位置検出器１０で検出する。光
点位置検出器に入射する光点の位置は前記したよ
うに被測定物体表面の位置により変化する。光点
位置検出器１０により、照射される光点の位置に
対応した極性の電流を得ることができる。色フイ
ルタ９はパターン撮像光をカツトし、色フイルタ
１１はレーザビームをカツトする機能を持つ。光
点位置検出器１０の出力信号および撮像素子１２
の出力信号はサーボ制御装置１４に入力する。試
料台１９は駆動用モータ１８により上下微動機構
により上下に移動する。また試料台の可動範囲を
検知するためのリミツト検出器１５，１６を設け
る。

周期パターンによりコントラスト信号を求める
方法は物体表面に投影される第６図のパターンを
図示の方向に走査して撮像すると第７図のような
信号Ｓが得られる。この信号を制御回路１４内の
第８図の回路により処理する。すなわち撮像器１
２の出力信号Ｓ（ｔ）と、該Ｓ（ｔ）を遅延回路１
４Ａにより時間tpだけ遅延させた信号Ｓ（ｔ―tp）
の差の絶対値Ｄ（ｔ）を絶対値回路１４Ｂにより
求め、更にそれを積分器１４Ｃで積分する。

実施例では撮像素子として固体撮像素子を使用
し、パターンの白、黒が撮像素子エレメントのピ
ツチに一致するように設定した。このようにする
ことにより、撮像素子出力信号は１クロツクごと
にパターンの白部、黒部と交互に配列される。つ
まり第７図の時間巾tpがクロツク周期となる。こ
の信号の隣接ビツトのレベル差を一走差分積分し
て得たコントラスト信号１０２が最大となる点が
第２図の合焦点位置である。したがつてサーボ機
構により試料台を移動させながら適当な周期で上
記コントラスト信号を比較し、該信号が最大とな
るようにサーボ機構を制御する。

第９図にサーボ機構装置１４の、特にモータ回
転方向を制御する回路の基本構成を示す。サーボ
機構を駆動するモータの回転方向を決定するため
の入力信号はリミツト検出信号９１，９２、光点
位置検出信号１０１、コントラスト検出信号１０
２である。リミツト検出信号が発生したときはモ
ータの回転方向を決定するフリツプフロツプ６０
の出力がリミツト検出が発生したことを記憶する
フリツプフロツプ６１の出力とのANDによりゲ
ート６２を通つて出力する。このとき光点位置検
出信号１０１やコントラスト検出信号１０２によ
り決められるモータ回転方向制御信号を無視する
ためフリツプフロツプ６１の出力によりゲート
６３〜６６をインヒビツトする。フリツプフロツ
プ６１がリセツトされるのはコントラストが有効
レベル以上となつたことを、コンパレータ５３に
より検出したときである。ここでコンパレータ５
３によりコントラストが有効レベル以上と判定さ
れた状態でリミツト検出されたときは、ANDゲ
ート５９により「リミツト検出器設定位置不良」
信号９４を発生させる。

コントラストが有効レベル以上の場合モータの
回転方向を決定する回路は増減判定器５２であ
る。増減判定器５２によりコントラストが最大と
なる位置に向つてモータを回転させる。増減判定
器５２の回路例を第１０図に示す。回路はサンプ
ルホールド５２１と比較器５２２とトリガラブル
フリツプフロツプ５２３により構成する。これに
より適当な時間間隔で、サンプルホールド５２１
に保持した１周期前のコントラスト信号と、現在
のコントラスト信号１２１を比較し、現在のコン
トラストが前回より低下した場合トリガラブルフ
リツプフロツプ５２３を反転させて焦点合せ機構
の移動方向を反転させる。

焦点合せ状態が、合焦近傍のコントラスト有効
レベル領域に一旦入ると、通常は山登り制御によ
りコントラストが最大となる点に向つて制御され
るが、試料面に高低があり試料台が水平方向に移
動するとき、焦点合せが追随できないと、コント
ラスト有効レベル領域外に脱出することもある。
このような場合、第１の限定範囲探索回路５４に
より制御する。これは現在位置周辺を一定の範囲
にわたつて光点位置検出信号に関係なくコントラ
ストが有効レベルとなる位置を探索するもので、
その回路例を第１１図に示す。コントラスト有効
レベル判定信号１２２の立下りによりフリツプフ
ロツプ５４１をセツトする。このフリツプフロツ
プ５４１の出力により第１のワンシヨツト５４３
をトリガし、該ワンシヨツトの出力パルスのパル
ス幅の期間だけラツチ回路５４２の出力、すなわ
ち光点位置検出信号をそのまゝ出力し、コントラ
スト有効領域を捜す。この探索でコントラスト有
効領域に復帰できない場合は、ワンシヨツト５４
４の出力パルスが消滅するときの後縁で、第２の
ワンシヨツト５４４をトリガすると同時にラツチ
回路５４２の出力をエクスクルーシブORゲート
により反転させる。この第２のワンシヨツト５４
４は第１のワンシヨツト５４３で与えた探索域を
引返し、さらに反対方向の一定領域について探索
するための時間をパルス幅として発生させ、その
終了時点でフリツプフロツプ５４１をリセツトす
る。ラツチ回路５４２は光点位置検出信号１１１
をラツチしておく。フリツプフロツプ５４１はコ
ントラストが有効レベル以上となつたときおよび
リミツト検出された場合にもリセツトされる。フ
リツプフロツプ５４１のセツトされている間は光
点位置検出信号による制御信号を無効とするため
禁止信号１２４によりANDゲート６３，６４を
インヒビツトする。光点位置検出信号による制御
信号はANDゲート６３を通して出力する。光点
位置検出信号１１１の論理信号が反転したとき、
コントラストが有効レベル以下である場合、第２
の限定範囲探索回路５６により制御する。これは
現在位置周辺を一定の範囲にわたつて光点位置検
出信号に関係なくコントラストが有効レベルとな
る位置を探索するものでその回路例を第１２図に
示す。

反転検出器５６１により光点位置検出信号１１
１が反転するのを検出する。このときコントラス
ト有効レベル信号１２２が“０”であればフリツ
プフロツプ５６２をセツトする。フリツプフロツ
プ５６２の出力によりワンシヨツト５６４をトリ
ガしその出力パルス幅の時間だけラツチ５６３の
出力をそのまゝゲート５６６を通して出力信号１
１２として出力する。この探索中に、コントラス
ト有効領域に入らなかつた場合、ワンシヨツトパ
ルスが消滅した後はラツチ５６３の出力をエクス
クルーシブOR５６５で反転させ、反対方向に向
つてコントラスト有効領域を探索する。以後この
状態はフリツプフロツプ５６２がリセツトされる
まで持続する。フリツプフロツプ５６２がリセツ
トするのはコントラスト有効レベル信号１２２が
“１”となつたときあるいはリミツトが検出され
てリミツト検出中信号１３１が“１”となつたと
きである。フリツプフロツプ５６２がセツトされ
ている間禁止信号１１３により光点位置検出信号
１１１による制御をインヒビツトする。

上記した各制御信号はORゲート６７でまとめ
る。最終的に出力するのは上記した各条件に応じ
て自動的に選択されモータ回転方向指示信号１２
６として出力する。

サーボ機構可動範囲内全域でコントラスト有効
レベル信号１２２が現れない場合警報発生回路５
８によりコントラスト不足警報信号９３を発生す
る。

以上の実施例は専用ハードウエアによるやり方
であつたが、マイコンを利用しても同様に実施で
きる。

被測定物体表面の傾斜部で、光点位置検出器に
よる検出が不能となる場合、あるいは光点位置検
出系とコントラスト検出系の合焦点検出にズルが
生じた場合あるいはコントラスト不足などが生じ
た場合でも測定装置が動作不能におちいることな
く自動焦点合せが可能となり装置の実用化が可能
となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザビームと光点検出器を用いて物
体表面位置を検出する方式の説明図、第２図は焦
点ずれ量と検出信号の関係を示す図、第３図は光
点検出器を用いた位置検出で検出不能となる場合
の説明図、第４図は光点検出器の位置検出が誤動
作した場合の信号例を示す図、第５図は本発明実
施例の装置構成図、第６図はコントラスト検出用
のパターン図、第７図はコントラスト検出用パタ
ーンの撮像信号図、第８図はコントラスト検出用
回路構成図、第９図は実施例のサーボ制御装置の
構成を示す回路図、第１０図は実施例の増減判定
器の回路図、第１１図は第１の限定範囲探索回路
の回路図、第１２図は第２の限定範囲探索回路の
回路図である。 １０…光点位置検出器、１２…撮像素子、１４
…制御回路、１８…モータ、１９…試料台、１０
１…光点位置検出器出力信号、１０２…コントラ
スト信号、９１，９２…リミツト検出信号、９３
…コントラスト不足警報信号、９４…リミツト検
出器設定位置不良信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 微細パターンを被測定物体表面に投影する第
   １の手段と、該投影像のコントラストを光学系を
   介して検出する第２の手段と、指向性を有する光
   を上記被測定物体表面に照射する第３の手段と、
   該照射により現出する被測定物体表面の光点の位
   置を光学系を介して検出する第４の手段と、焦点
   合せサーボ機構と、上記コントラスト及び光点位
   置検出信号により上記第２、第４の手段に含まれ
   る光学系と被測定物体との距離が合焦点状態とな
   るように上記焦点合せサーボ機構を制御する制御
   手段とを備え、焦点合せする時の制御量から被測
   定物体表面粗さを測定する表面粗さ測定装置に於
   いて、上記制御手段による焦点合せサーボ機構の
   制御は、上記コントラスト検出信号が所定レベ
   ル以上の時には該コントラスト検出信号の最大値
   を目標とする山登り制御により焦点合せサーボ機
   構を制御し、上記コントラスト検出信号が所定
   レベル以下のときは上記光点位置検出信号レベル
   が所定レベルとなる点を目標とするサーボ制御を
   実行し、該光点位置検出信号による制御中にあ
   つては、上記サーボ機構による焦点合せが完了す
   る目標点で、上記コントラスト検出信号が所定レ
   ベル以下の場合は、該光点位置検出信号によるサ
   ーボ制御を解除し、現在位置近傍に所定幅の探索
   域を設定し、一義的に焦点調節機構の制御方向を
   設定してコントラスト検出信号が所定レベル以上
   の領域を探索し、次いで、上記探索域外を探索
   し、該探索において焦点合せ機構可動範囲の一端
   から他端まで探索した結果コントラスト検出信号
   が所定レベル以上となる領域が存在しなかつたと
   きはコントラスト信号検出不能と認定してなるこ
   とを特徴とする表面粗さ測定装置。 ２ 上記コントラスト検出信号が所定レベル以上
   の時のコントラスト検出信号による制御中にあつ
   ては、上記サーボ機構が可動限界点に達した時に
   は該サーボ機構の可動限界点の設定不良として認
   定してなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の表面粗さ測定装置。