JPH0534147A - 非接触高さ計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定対象物に照射した微小ビーム光の反射光
を用いて、測定対象物の高さを測る非接触高さ計測装置
に関し、簡単な構成により、同時に多種の測定レンジ及
び分解能で、高性能かつ高速に高さを測定できる計測装
置を提供することを目的とする。 【構成】 光源１及び光学系２から測定対象物３にスポ
ット照射された微小ビーム光の反射光を光電変換素子群
７の方向へ導くためのハーフミラー４及びレンズ系６の
間に、反射光の光軸を中心とする円周上に複数のスリッ
ト孔Ｌが形成された透過スクリーンパターン５を配置す
る。スリット孔Ｌを通過したパターン光はレンズ系６に
より集光され、それぞれのパターン光の光路上に配置さ
れた光電変換素子７に照射され、各光電変換素子７はそ
の受光位置に応じた電気的出力を生じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は測定対象物に微小ビーム
光を照射し、その反射光を用いて測定対象物の高さを測
る非接触高さ計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高さ計測においては微小ビーム光
を用いた非接触方式が用いられている。以下に従来の技
術について説明する。図６は従来の非接触高さ計測装置
の原理を示すものである。図６において、１は微小ビー
ム光を発生するための光源であり、その微小ビーム光
は、測定対象物３の近傍、例えばその測定対象物３の載
置されている基板９上に集高するように光学系２により
スポット照射される。測定対象物３からの垂直方向の反
射光は、ハーフミラー４により偏向され、偏向された反
射光はレンズ系６により集光される。７はレンズ系６に
より生成された像の焦点ずれを、その像の半径方向の光
量分布重心位置を測ることにより検出する光電変換素子
である。この光電変換素子７の出力値からレンズ系６と
測定対象物３との距離を計測することで、測定対象物３
の高さが求められる。また、ハーフミラー４とレンズ６
系の間にＳ／Ｎ比を向上させるためのリング状の遮光板
が設けられている場合もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、円状パターンの反射光の半径方向の光量分
布重心位置を検出しなければならないため、焦点ずれを
検出する光電変換素子に、例えば、特開昭６４−４９９
０３号公報に示されるような特殊な円形フォトダイオー
ドを用いなければならずコスト高になる。また、光電変
換素子上のビーム光の光強度分布が測定対象物の表面状
態の影響によりばらつくと測定誤差が生じてしまう。さ
らに、同時に測定範囲と分解能を変えて測定するために
は、上記公報に示されるように、焦点距離の異なった反
射光を集光するレンズ系を複数個用いなければならず、
構造が複雑になるなどの問題点を有していた。

【０００４】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、測定対象物の高さを非接触により、高精度かつ高速
に測定する計測装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の非接触パターン高さ計測装置は、微小ビーム
光を発生する光源と、測定対象物に前記微小ビーム光を
スポット照射する光学系と、前記対象物により反射され
た反射光が照射され、その反射光の光軸を中心とした円
周上に複数のスリット孔の形成されたスクリーンと、前
記スクリーンの各スリット孔を通過したそれぞれの反射
光を前記反射光の光軸上に収束させるためのレンズ系
と、前記レンズ系を通過したそれぞれの光束を受光する
ことにより前記微小ビーム光照射位置に応じた電気的出
力を発生する複数個の光電変換素子とを備えている。

【０００６】

【作用】この構成では、光電変換素子はスクリーンを通
過後の光束の各々を受光できるものであればよいので、
一次元方向の光の受光位置を検出する一般的なものでよ
い。また、スクリーンを通過後のそれぞれの光束に対応
した位置に光電変換素子を配置するため、多方向からの
高さの検出が可能となり、これらの測定値に対してデー
タの選択と平均化などの処理を行うことで、測定対象物
の表面状態のむらによる反射光のばらつきの影響を受け
にくく、高精度に測定することができる。さらに、透過
スクリーンパターンのスリット孔を直径の異なる同心円
の周上にそれぞれ配置すれば、半径方向に距離の異なる
スリット孔を通過する反射光を測定することで、分解能
と測定レンジを選択することができる。つまり、同時に
多種の測定レンジ、分解能で高さを測定することができ
る。

【０００７】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の第一の実施例について、図面
を参照しながら説明する。

【０００８】図１において、１は微小ビーム光を発生す
るための光源である。２は測定対象物３に前記微小ビー
ム光をスポット照射するための光学系である。４は測定
対象物３からの垂直方向への反射光を集光するためのレ
ンズ系６の方向へ反射光を偏向するハーフミラーであ
る。５はレンズ系６の直前に置かれた透過スクリーンパ
ターンであり、反射光の光軸を中心とする円周上に複数
個のスリット孔Ｌが形成されている。７は透過スクリー
ンパターン５のそれぞれのスリット孔Ｌを通過しレンズ
系６により集光される各光束の光路上に直角方向に位置
し、光束の受光位置に応じた電気的出力を発生する光電
変換素子である。この光電変換素子７はある所定の長さ
を有し、ビームスポットの照射位置に応じて複数の出力
端子の出力が相対的に変化する１次元の位置検出素子で
あり、これにはＣＣＤラインセンサーなどを代用するこ
とも可能である。

【０００９】上記のように構成された非接触高さ計測装
置について、その動作を説明する。まず、光源１及び光
学系２により測定対象物３にスポット照射された微小ビ
ーム光の垂直方向への反射光はハーフミラー４によって
透過スクリーンパターン５に導かれ、この透過スクリー
ンパターン５により４つに分割されたパターン光に変え
られる。そして、透過スクリーンパターン５のそれぞれ
のスリット孔Ｌを通過したパターン光はレンズ系６によ
り集光され、それぞれのパターン光の光路上に置かれた
光電変換素子７に照射され、各光電変換素子７はその受
光位置に応じた出力を発生する。つまり、図２に示すよ
うに、測定対象物３の高さがＡ，Ｂ，Ｃと変化すると、
各光電変換素子７の反射光の受光位置がａ，ｂ，ｃと変
化して光電変換素子７の出力に違いが生じ、あらかじめ
調べておいた対象物高さと光電変換素子の出力値との較
正曲線から、測定対象物３の高さを知ることができる。

【００１０】このとき、透過スクリーンパターン５には
同一円周上に複数のスリット孔Ｌを設け、各スリット孔
を透過した反射光に対して多方向から光電変換素子７に
よって検出しているので、各光電変換素子の出力値に対
してデータの選択や平均化などの処理を行うことで測定
対象面のむらによる反射光のばらつきの影響を受けにく
くなり、高精度に測定することができる。

【００１１】図３（ａ）は透過スクリーンパターン５の
他の一例であり、半径の異なった同心円上に複数のスリ
ット孔Ｌ１及びＬ２を設けてある。それぞれのスリット
孔Ｌに対応して光電変換素子７を同図（ｂ）に示すよう
に配置することで、半径の小さい同心円上のスリット孔
Ｌ２を通過した反射光は分解能が小さく測定レンジが大
きく、半径の大きい同心円上のスリット孔Ｌ１を通過し
た反射光は分解能が大きく測定レンジが小さくなり、測
定時にスリット孔Ｌ１とＬ２のどちらかを選択すること
で異なった分解能と測定レンジで計測が可能となる。

【００１２】（実施例２）以下本発明の第二の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。第二の実施例を
示す図４において、第一の実施例と同一の構成部分には
同一符号を付して説明を略し、異なる部分について説明
する。第一の実施例の構成と異なるのは、反射板８をレ
ンズ系６と光電変換素子７との間にレンズ系６の光軸に
平行するように配置し、かつ光電変換素子７の配置方向
を略９０゜異にし、光電変換素子７の受光方向をレンズ
系６の光軸に平行なｘ軸方向に、かつそのｘ軸方向に沿
って配置した点である。なお、光電変換素子７とレンズ
系６の光軸との距離は、光電変換素子７がｘ軸方向の受
光位置を検出しやすいように、反射板８と光軸との距離
の倍になるように配置している。

【００１３】上記のように構成された非接触高さ計測装
置について、その動作を説明する。まず、測定対象物３
に光源１及び光学系２より微小ビーム光をスポット照射
し、そのスポット位置より垂直方向への反射光をハーフ
ミラー４で透過スクリーンパターン５方向へ偏向する。
そして、スリット孔Ｌを通過後の光束をレンズ系６によ
り集光し反射板８で偏向した後、光電変換素子７で受光
しｘ軸方向の受光位置を検出する。

【００１４】このように、反射板８により透過スクリー
ンパターン５のスリット孔Ｌを通過した光束を互いに離
反する方向に反射させて、測定対象物３の高さの変化に
応じてｘ軸方向に配置した光電変換素子７のｘ方向の受
光位置の検出を行うことで、光電変換素子７は常に反射
光の焦点に近い光束を受光することができる。このた
め、より高精度に測定対象物の高さを測定することがで
きる。

【００１５】（実施例３）以下本発明の第三の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。図５は本発明の
第三の実施例の説明図であり、第二の実施例と同一の構
成部分には同一符号を付して説明を略し、異なる部分に
ついて説明をする。第二の実施例の構成と異なるのは、
光電変換素子７をゲインが最大となるような角度で配置
していることである。

【００１６】以上のように構成された非接触高さ計測装
置について、その動作を説明する。まず、測定対象物３
に光源１及び光学系２より微小ビーム光をスポット照射
し、そのスポット位置より垂直方向への反射光をハーフ
ミラー４で透過スクリーンパターン５方向へ偏向する。
そして、レンズ系６により集光して、反射板８で偏向し
て、光電変換素子７で受光する。このように、ゲインが
最大となるような角度で光電変換素子を配置すること
で、測定対象物の反射率が低くても光量不足とはならず
測定が可能であり、測定精度は測定対象物の反射率に影
響を受けない。なお、光電変換素子７のゲインが最大と
なるような角度で反射板８を配置しても差し支えないこ
とは言うまでもない。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明の非接触高さ計測装
置によれば、光量分布重心位置を検出する特殊な受光素
子を用いる必要がなく、一次元方向の受光位置を検出で
きる一般的な光電変換素子で計測が可能となるため安価
にすることができる。また、円周上に複数個のスリット
孔の形成された透過スクリーンパターンを使用すること
により、多方向からの光電変換素子による測定が可能と
なり、測定対象物の表面状態のむらによる反射のばらつ
きの影響を受けにくくなる。このため、いろいろな方向
から検査を繰り返さなくともよく、高速にかつ高精度に
測定することができる。さらに、透過スクリーンパター
ンの半径の異なるスリット孔を通過する反射光を測定す
ることで、簡単な構成で分解能と測定レンジを選択する
ことができ、同時に異なった分解能と測定レンジで測定
することも可能である。

【００１８】また、レンズ系を通過後の光束を反射させ
るとともに、光電変換素子の受光角度をレンズ系の光軸
に平行または反射したそれぞれの光束に垂直にすること
により、さらに高精度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における非接触高さ計測
装置の構成図

【図２】同装置の側面図

【図３】（ａ）同装置に使用される他の透過スクリーン
パターンの正面図 （ｂ）同透過スクリーンパターンに対応する光電変換素
子の配置図

【図４】本発明の第二の実施例における非接触高さ計測
装置の側面図

【図５】本発明の第三の実施例における非接触高さ計測
装置の側面図

【図６】従来の非接触高さ計測装置の構成図

【符号の説明】

１ 光源 ２ 光学系 ３ 測定対象物 ４ ハーフミラー ５ 透過スクリーンパターン ６ レンズ系 ７ 光電変換素子 ８ 反射板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 知博 香川県高松市寿町２丁目２番10号 松下寿 電子工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微小ビーム光を発生する光源と、 測定対象物に前記微小ビーム光をスポット照射する光学
   系と、 前記測定対象物により反射された反射光が照射され、そ
   の反射光の光軸を中心とした円周上に複数のスリット孔
   の形成されたスクリーンと、 前記スクリーンの各スリット孔を通過したそれぞれの反
   射光の光束を前記反射光の光軸上に収束させるためのレ
   ンズ系と、 前記レンズ系を通過したそれぞれの光束を受光すること
   により前記微小ビーム光照射位置に応じた電気的出力を
   発生する複数個の光電変換素子とを備えたことを特徴と
   する非接触高さ計測装置。
2. 【請求項２】反射光の光軸を中心とする半径の異なる複
   数の同心円の周上にスリット孔がそれぞれ形成されたス
   クリーンを有することを特徴とする請求項１記載の非接
   触高さ計測装置。
3. 【請求項３】レンズ系を通過したそれぞれの反射光の光
   束を、前記レンズ系の光軸に平行に配置された反射板に
   より反射せしめるとともに、光電変換素子をそれぞれ前
   記光軸に沿って、その光軸に平行に配置したことを特徴
   とする請求項１記載の非接触高さ計測装置。
4. 【請求項４】レンズ系を通過したそれぞれの反射光の光
   束を、前記レンズ系と光電変換素子との間に配置された
   反射板により反射せしめるとともに、光電変換素子がそ
   れぞれの光束を垂直に受光するようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の非接触高さ計測装置。