JP2000146532A - レーザーオートフォーカスによる非接触寸法測定方法 - Google Patents

レーザーオートフォーカスによる非接触寸法測定方法

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勝重 中村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定精度が良く、どのような物でも測定で
き、自動化等が容易な非接触寸法測定方法を提供する。 【解決手段】 一点でレーザーによりオートフォーカス
をかけながら測定物をXY方向にスキャンさせ、基準面
からの高さ情報をエッジのしきい値として、測定物のX
Y平面上におけるエッジとらえることにより、測定物の
寸法を非接触で測定するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザーオート
フォーカスによるXY座標上の非接触寸法測定方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】非接触のXY寸法測定は、CCDカメラ
などの面像処理を用いた方法が一般的である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の方法では、以下に示すようなデメリットがあ
る。
【0004】A)測定分解能と測定範囲は受光素子の1
ピクセルサイズの大きさと総画素数(受光面積)、結像
レンズ倍率で決まるため、広範囲を高い分解能で測りた
い場合に制約があり数十ミリのものをサブμmの精度で
測ることが困難である。また、結像レンズの収差がXY
平面の測定精度に影響する。
【0005】B)面像処理の場合、測定物からの光の明
るさやコントラストの値をしきい値としているため、シ
ャープなエッジがでるように照明系を工夫しなければな
らない。また、測定物の表面の色や反射率に左右されて
データがばらつきやすく測定できない物が数多くあり自
動化も困難である。
【0006】C)測定物のエッジがR面やC面取り処理
されている場合、ピントがボケてしまい側面の検出が難
しい。
【0007】D)オートフォーカスに時問がかかり精度
も測定物によってばらつく。
【0008】E)測定のための設定条件がいくつもあり
時間とノウハウが測定者に要求される。
【0009】この発明はこのような従来の技術に着目し
たものであり、測定精度が良く、どのような物でも測定
でき、自動化等が容易な非接触寸法測定方法を提供する
ものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
【0011】この発明は、一点でレーザーによりオート
フォーカスをかけながら測定物をXY方向にスキャンさ
せ、基準面からの高さ情報をエッジのしきい値として、
測定物のXY平面上におけるエッジとらえることによ
り、測定物の寸法を非接触で測定するものである。レー
ザーとしては、半導体レーザーが好適である。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明は、以上のような内容のた
め、以下に示すようなメリットがある。
【0013】A)分解能はステージの分解能とレーザー
スポット径により決まり、サブミクロンレベルまで上げ
ることができる。測定範囲はステージの移動範囲による
ので非常に大きなダイナミックレンジをとることがてき
る。また測定精度はステージの精度に依存し高精度な物
を用いることにより数百mmの物でもサブμの絶対精度
で図ることができる。
【0014】B)エッジの決めるしきい値は、測定物の
基準面からの高さの値ΔZ(任意値)を用いている。レ
ーザーオートフォーカスの場合、数パーセントの戻り光
があれば表面に迫従してフォーカスするため、測定表面
の色や反射率に左右されにくい。また、コントラストが
乏しいガラスやセラミックの材料でも反射光があるため
十分に測定できる。
【0015】C)一般に非接触の寸法測定器は極端な傾
斜やR面に対して追従できない。また傾き成分がZ値の
情報として取り込みエラーを出してしまうセンサーなど
もある。数ある中で形状をもっとも忠実に計測できる方
法としてレーザーオートフォーカスが上げられる。本方
式は、このオートフォーカスを用いているためほとんど
90度付近までの傾斜まて測ることができる。その結
果、C面やR面の下にある側面のエッジを検出すること
ができる。
【0016】D)従来の画像処理の場合は、あるエリア
のZ軸方向の範囲を一定ピッチで画像を取り込み、各画
像のシャープさを比較して最もシャープな所をフォーカ
ス位置としている。そのため時問がかかり精度もサンプ
リングエッジに依存する。それに比ぺるとレーザーオー
トフォーカスは光軸中心のレーザー光の位置変位をセン
サーが捉え、常に中心にくるようにサーボモーターで高
速に制御している。更に、その位置決め精度は1μm以
下を達成しているため、高速且つ高精度な測定が実現さ
れている。
【0017】E)本方式の場合、測定者が設定しなけれ
ばならないパラメーターは測定開始点(基準面)と測定
ピッチ、しきい値ΔZだけである。そのために測定のエ
キスパートでなくても簡単に測定できる。
【0018】
【実施例】以下、この発明の好適な実施例を説明する。
【0019】図1〜図3は、円柱1、円筒2の測定例を
示す図である。図1及び図2は、円柱1のエッジ(R面
化)3を検出して、外径を測定するものである。まず、
図2により、測定装置を説明する。4はレーザ照射装置
で、半導体レーザLを照射する。5、6、7はそれぞれ
ミラーを示す。8は対物レンズで、移動装置9により上
下動する。10は光位置検出装置で、ここでの検出具合
により、対物レンズ8をフォーカスする方向に移動させ
るようになっている。
【0020】実際に測定する場合は、最初に基準面Mに
おける測定開始点Sにフォーカスをかけ、そのZ値を0
とし、任意の測定ピッチで外側へ移動させる。オートフ
ォーカスは自動追従し、フォーカスが合った点での高さ
と基準面Mの高さの差を毎回サンプリングし、設定され
ているしきい値ΔZと同じか、それを越えた点のXY座
標値を一点のエッジデータとして取り込む。円の場合
は、最低3点取り込むことにより、円の中心や、径等を
求めることができる。
【0021】図3は、円筒2の内側のエッジ11を検出
して、内径を測定するものである。この場合は、基準面
Mにおける測定開始点Sにフォーカスをかけ、そのZ値
を0とし、任意の測定ピッチで内側へ移動させれば良
い。
【0022】この実施例では、5回の測定を繰り返し行
ったが、再現性は±0.5μmに入っていた。また、レ
ーザーLのビーム径は対物レンズによって変わるが10
00倍の顕微鏡対物レンズを用いると、1μm程度まで
集光する。また、その輝度分布はガウス分布であるため
スポット径の中心付近の輝度が最も大きくスポット径以
下の再現性で寸法測定を行うことができる。
【0023】図4は、溝12の幅Wを測定する場合を示
し、図5は、凸部13の幅Wを測定する場合を示してい
る。どちらの場合も、基準面Mにおける測定開始点Sに
フォーカスをかけ、そのZ値を0とし、任意の測定ピッ
チで内側へ向けて移動させる。溝12や凸部13の場合
は、最低4点取り込むことにより、エッジ14を検出で
き、そこからWを求めることができる。
【0024】また、図5に示すように、溝15が平行で
ない場合は、直線16と直線17をエッジ検出により測
定し、測定点18を通り且つ直線16、17より得られ
る中心線との垂線と、直線16及び直線17が交わる各
検出点19、20間の距離を幅Wとして検出できる。ま
た、直線16と直線17との交角θも算出できる。
【0025】
【発明の効果】この発明によれば、従来測定顕微鏡など
を用いて人の目で行われていたXY座標上の寸法測定が
自動化できる。また凹凸がある物やコントラストがなく
画像処理で測れなかったものを測れるようになり、測定
精度も向上できる。半導体産業や精密加工、マイクロマ
シン技術、光通信用の素子など、これから製品は更に小
型化、高精度化されており、この測定方法はこれらの寸
法検査において有効利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】円柱の外径を検出する状態を示す斜視図。
【図2】測定装置を示す概略図。
【図3】円筒の内径を検出する状態を示す斜視図。
【図4】溝の幅を検出する状態を示す斜視図。
【図5】凸部の幅を検出する状態を示す斜視図。
【図6】平行でない溝の幅を検出する状態を示す平面
図。
【符号の説明】
3、11、14、19、20 エッジ M 基準面 S 測定開始点 L レーザー ΔZ しきい値
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年8月26日(1999.8.2
6)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】この発明は、一点でレーザーにより対物レ
ンズをフォーカス方向に移動させてオートフォーカスを
かけながら測定物をXY方向にスキャンさせ、対物レン
ズのフォーカス方向への移動量から求められる基準面か
らの高さ情報をエッジのしきい値として、測定物のXY
平面上におけるエッジをとらえることにより、測定物の
寸法を非接触で測定するものである。レーザーとして
は、半導体レーザーが好適である。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0016
【補正方法】変更
【補正内容】
【0016】D)従来の画像処理の場合は、あるエリア
のZ軸方向の範囲を一定ピッチで画像を取り込み、各画
像のシャープさを比較して最もシャープな所をフォーカ
ス位置としている。そのため時問がかかり精度もサンプ
リングエッジに依存する。それに比べるとレーザーオー
トフォーカスは光軸中心のレーザー光の位置変位をセン
サーが捉え、常に中心にくるようにサーボモーターで高
速に制御している。更に、その位置決め精度は1μm以
下を達成しているため、高速且つ高精度な測定が実現さ
れている。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0020
【補正方法】変更
【補正内容】
【0020】実際に測定する場合は、最初に基準面Mに
おける測定開始点Sにフォーカスをかけ、そのZ値を0
とし、任意の測定ピッチで外側へ移動させる。オートフ
ォーカスは自動追従し、フォーカスが合った点で、対物
レンズのフォーカス方向への移動量から求められる高さ
と、基準面Mの高さの差を毎回サンプリングし、設定さ
れているしきい値ΔZと同じか、それを越えた点のXY
座標値を一点のエッジデータとして取り込む。円の場合
は、最低3点取り込むことにより、円の中心や、径等を
求めることができる。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0024
【補正方法】変更
【補正内容】
【0024】また、図6に示すように、溝15が平行で
ない場合は、直線16と直線17をエッジ検出により測
定し、測定点18を通り且つ直線16、17より得られ
る中心線との垂線と、直線16及び直線17が交わる各
検出点19、20間の距離を幅Wとして検出できる。ま
た、直線16と直線17との交角θも算出できる。
【手続補正書】
【提出日】平成11年12月17日(1999.12.
17)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】この発明は、レーザーを測定物に当て、測
定物から反射されたレーザーの位置変位をセンサーで捉
え、その反射されたレーザーが常にセンサーの中心にく
るように対物レンズをサーボモーターでフォーカス方向
に高速に移動させて焦点を合わせるオートフォーカスを
用いるものであり、一点でレーザーにより対物レンズを
フォーカス方向に移動させてオートフォーカスをかけな
がら測定物をXY方向にスキャンさせ、対物レンズのフ
ォーカス方向への移動量から求められる基準面からの高
さ情報を、あらかじめ設定されているしきい値と比較
し、該しきい値と同じか、それを越えた点におけるXY
座標をエッジとしてとらえることにより、測定物の寸法
を非接触で測定するものである。レーザーとしては、半
導体レーザーが好適である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 AA12 AA21 AA22 AA26 AA52 BB06 BB08 DD03 DD06 FF10 GG04 GG06 HH04 HH13 JJ01 JJ09 JJ16 LL04 LL12 MM03 PP12 QQ01 QQ25 2H011 AA06 BA14

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一点でレーザーによりオートフォーカス
    をかけながら測定物をXY方向にスキャンさせ、基準面
    からの高さ情報をエッジのしきい値として、測定物のX
    Y平面上におけるエッジとらえることにより、測定物の
    寸法を非接触で測定する方法。
  2. 【請求項2】 レーザーが半導体レーザーである請求項
    1記載の非接触寸法測定方法。
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