JP2000180139A - マルチスリット走査撮像装置 - Google Patents

マルチスリット走査撮像装置

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JP2000180139A
JP2000180139A JP10358493A JP35849398A JP2000180139A JP 2000180139 A JP2000180139 A JP 2000180139A JP 10358493 A JP10358493 A JP 10358493A JP 35849398 A JP35849398 A JP 35849398A JP 2000180139 A JP2000180139 A JP 2000180139A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、非走査型の共焦点撮像系を用いた
表面形状計測装置において、画素開口率の低さにより微
小物体が計測不可能となる問題を解決することを目的と
する。 【解決手段】 一般的なピンホール型の共焦点ではな
く、スリット型の非走査共焦点撮像系を用い、物体に投
影されるマルチスリットを2次元検出器の露光時間内に
一画素相当の距離スキャンさせることで共焦点の効果を
維持しつつ画素開口率が100%となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、共焦点光学系を用
いて物体の表面形状を計測する装置の構造に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】共焦点光学系を用いると物体の光軸方向
(以下Z方向と呼ぶ)の位置(以下高さと呼ぶ)を精度
良く計測することが可能である。従来技術の説明に先立
ち共焦点光学系による高さ計測の原理を解説する。共焦
点光学系の基本構成を図8に示す。点光源81からでた
光は対物レンズ83により集光され物体に投影される。
物体から反射して再び対物レンズ83に入射した光はハ
ーフミラー82を介して点光源81と光学的に同じ位置
にあるピンホール84に入射し、ピンホール84を通過
した光の量が検出器85により計測される。これが共焦
点光学系の基本的な構造である。このような光学系を用
いると物体表面上の点の高さが次のようにして計測でき
る。物体表面が点光源81に共役な位置にある場合、反
射光は同じく共役な位置であるピンホール84面に収束
し多くの反射光がピンホール84を通過する。しかし物
体表面が点光源に共役な位置から離れるとピンホール8
4を通過する光量は急速に減少する。このことから物体
と対物レンズ83との距離を変化させて検出器85が最
大出力を示す点を見つければ物体表面の高さがわかるこ
とになる。以上が共焦点光学系による高さ計測の原理で
ある。
【0003】共焦点光学系は基本的に物体表面上の1点
のみを計測対象としているが、3次元計測のためには面
的な計測が必要である。共焦点光学系を用いて2次元画
像(以下共焦点画像と呼ぶ)を得るためには何らかの走
査手段を持つかまたは共焦点光学系の並列化を行う必要
がある。後者の並列化を行う典型的な光学系として2次
元配列型共焦点光学系がある。2次元配列型共焦点光学
系は共焦点光学系による2次元画像の各点を同時並列に
露光することが可能であることから非常に高速な計測が
可能であるという特徴がある。2次元配列型共焦点光学
系を持つ装置としては特願平8−94682号明細書が
ある。この装置を2次元配列型共焦点光学系の代表例と
して図7を用いて説明する。
【0004】光源1から射出された照明光は照明ピンホ
ール2と照明レンズ3とによって平行光となってビーム
スプリッター4に入射する。ビームスプリッター4を下
方に通過した照明光はマイクロレンズアレイ5に入射
し、マイクロレンズアレイ5の各レンズ毎に各レンズの
焦点位置に微小スポットを形成する。マイクロレンズア
レイ5の焦点面はピンホールアレイ6となっており、各
ピンホールはマイクロレンズアレイ5の各レンズと同軸
である。このため照明光のほとんどはピンホールアレイ
6を通過する。ピンホールアレイ6からでる照明光はち
ょうど点光源が並列に並べられていることに相当し、レ
ンズ7a、レンズ7bと絞り8よりなる両側テレセント
リックな対物レンズ7によりピンホールアレイ7の像
(つまり多数の微小スポット)となって物体Aに投影さ
れることになる。物体Aからの反射光は対物レンズ7に
よりピンホールアレイ6付近に集光される。ピンホール
アレイ6は点計測型の共焦点光学系の検出器の前のピン
ホールの役目を持っており、物体Aに投影された各微小
スポットの焦点位置(収束位置)に物体表面があれば対
応するピンホールを多くの反射光が通過するが、物体A
の表面が焦点位置からはずれると反射光がピンホールを
通過する光量は小さくなる。ピンホールアレイ6を通過
した反射光はマイクロレンズアレイ5により各レンズか
ら平行ビームとなって射出され、ビームスプリッター4
により偏向せられ、再結像レンズ9によりビーム径が縮
小されて2次元検出器10によりその強度が検出され
る。
【0005】このような構造により共焦点画像全点が同
時並列的に検出されることになる。z軸方向に移動して
焦点位置の異なる複数の共焦点画像を得て、画像各点毎
に強度が最大となる画像を見つければ物体Aの表面形状
が計測できる。
【0006】2次元配列型共焦点光学系は画像全点が同
時露光できることから高速であり、可動部がなく、高速
シャッターカメラを2次元検出器として用いることがで
きることから工業用として適している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】2次元配列型共焦点光
学系の問題は、一つにはスペックルの発生がある。共焦
点結像は基本的にコヒーレント結像であり、物体に投影
されるスポット光は、そのスポット光内部ではコヒーレ
ンシイが高いためスポット内で物体表面上に凸凹がある
とこれらの反射光がピンホールアレイ6付近で干渉を起
こしてしまう。つまりスペックルが発生する。スペック
ルが発生すると高さ計測に著しい悪影響を与えてしま
う。
【0008】この問題については特願平9−55485
号明細書に対策が示されている。2次元配列型共焦点撮
像系においては、隣り合うスポットどうしがスポット径
の数倍以上離れている事を利用し、2次元検出器の露光
時間内に隣のスポットの位置に達しない程度に微小なス
キャン(振動)を与えることで平滑化を行うものであ
る。対象物の凸凹がランダムであるならばスポットの微
少スキャンによりスペックルはランダムに変化し平滑化
される。
【0009】スペックルの問題とは別にもう一つ問題が
ある。スペックルの問題とも関係するが、スポットとス
ポットの間の距離が離れているために、その間の情報が
欠落していることである。普通の結像光学系でCCDカメ
ラのような2次元検出器で画像を撮る場合、得られた画
像の1画素の情報は隣の画素との間にすき間はほとんど
ないので、画素間の情報を全て含んで平均化した情報と
なっている。そのため例えば画素より小さい突起(輝
点)であっても、画像中にあればその存在は検知でき
る。しかし2次元配列型共焦点光学系ではスポットのす
き間にその突起(輝点)が位置している場合全く計測が
不可能である。
【0010】具体的な例で説明する。半導体のパッケー
ジにBGA(Ball Grid Array)あるい
はCSP(Chip Scale Package)と
呼ばれるものがある。これは図9に示すように電極がボ
ール状で平面上に配列されているものである。電極数に
対して実装面積が少なくて済むために近年急速に普及し
てきたパッケージである。このパッケージは全てのボー
ルの頂点の高さが揃っているかどうかが重要であるた
め、検査装置にはボール頂点の高さを高精度に測ること
が求められる。ボールは比較的鏡面に近いため真上から
照明した場合、反射光が帰ってくるのは頂点付近に限ら
れる。光が返ってくる頂点付近の大きさはボールの径と
対物レンズのNAによって変わるが、いずれにしてもボ
ールの径が小さくなってくると光が返ってくる頂点付近
の大きさは小さくなり、画素以下のサイズとなる。一般
の結像光学系と2次元CCDカメラの組み合わせの場
合、画素以下のサイズとなっても一応その頂点を確認す
ることは可能である。しかし、2次元配列型共焦点の場
合、スポットが丁度頂点付近に当たらない限りは計測で
きない。
【0011】つまり、2次元配列型共焦点光学系はスポ
ット間に不感領域が存在するため小さい物体を計測する
ことができないという問題がある。
【0012】スポット間に不感領域が存在するために発
生する問題は小さい物体が測れないだけではない。画像
処理により画像中の物体のエッジ計測を行う場合、サブ
ピクセル精度での計測が一般に可能であるが、2次元配
列型共焦点光学系で得られた画像ではスポット間に不感
領域が存在する。つまり画素開口率が低くなるためサブ
ピクセル精度の計測は不可能である。
【0013】そこで、本発明は画素間に不感領域が存在
せず、かつスペックルの影響が少ない非走査型の共焦点
方式表面形状計測装置を提供することを目的とするもの
である。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、マルチスポット型の従来の2次元配列型
共焦点撮像系に変えて、複数のスリット開口を持ち、背
後から照明されたスリット開口の像を対物レンズにより
物体面に結像させ、物体から反射してきた光を再び同一
の対物レンズで集光し、前記スリット開口と光学的に同
一の位置にあるスリット開口を通過した反射光の量を2
次元検出器で検出する構造を有する非走査型マルチスリ
ット共焦点撮像系を用い、前記2次元検出器の1回の露
光時間内に前記の複数スリット開口の像を、物体に対し
て微小に走査するマルチスリット微小走査機構を有する
ように装置を構成する。
【0015】これにより画素内での不感領域はなくすこ
とができ、かつスペックルがよく平滑化されることにな
る。
【0016】より具体的に非走査型マルチスリット共焦
点撮像系について述べれば、スリット形状の光源と、前
記光源の各点からの光を平行光とする照明レンズと、前
記照明レンズから射出された照明光から前記スリット光
源の微小像を多数結像させる上部マイクロレンズアレイ
と、前記上部マイクロレンズアレイの焦点位置つまり前
記スリット光源が結像する位置に前記上部マイクロレン
ズアレイと同軸でかつ同じ焦点距離のレンズよりなる下
部マイクロレンズアレイと、前記下部マイクロレンズア
レイと同じ位置に前記スリット光源の像が透過するよう
に設けられるスリットアレイと、このスリットアレイの
像を物体上に投影する対物レンズと、物体から反射して
前記対物レンズにより集光され前記スリットアレイを通
過した反射光を偏向させるビームスプリッタと、物体か
らの反射光を受光する2次元検出器と、前記スリットア
レイと前記2次元検出器が共役関係となるように配置さ
れた再結像レンズとにより構成する。
【0017】また、マルチスリット微小走査機構は、対
物レンズと物体との間に位置する光透過性の平行平面
と、この平行平面の光軸に対する角度を変化させる角度
変化手段とにより構成する。
【0018】角度変化手段としてはガルバノメータース
キャナを用いることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1と図2に本発明の実施
の形態の第一の例を示す。図1と図2は本発明の一実施
例を互いに90度異なる角度から見た図である。ただ
し、図をわかりやすくするために一部(ビームスプリッ
タ4,再結像レンズ9、2次元検出器10、物体A、コ
ントローラ11b(2))の方向は共通にして描いてあ
る。
【0020】本発明は非走査型マルチスリット共焦点撮
像系Sとマルチスリット微小走査機構11とにより構成
される。まず、非走査型マルチスリット共焦点撮像系S
から詳細に説明する。
【0021】光源部は光源1とスリット開口101より
構成され、全体としてスリット全体が均一に発光をする
光源である。具体的には例えば光ファイバー束の一端を
スリット形状にバンドルしてスリット開口とし、他の端
を円形にバンドルしてハロゲン光源からの光をレンズや
反射鏡により集光してその円形端に導くようにする。も
ちろん他の実現方法でも良い、基本的に開口がスリット
形状であり、スリットの各点から出る光が球面波となる
ような光源であればよい。簡単にはスリット形状の拡散
板を背後から照明すればよい。光源は単色光でも広帯域
の白色光であっても良い。レーザーはコヒーレンシイが
高いため好ましくはないが使えなくはない。回転する拡
散板などの位相ランダマイザなどを付加すれば十分利用
できる。図3にスリット開口101を示す。これ以後の
説明では、他の図であっても図3に示したようにスリッ
ト開口101のスリット長辺方向をYとし、短辺方向を
Xとして説明する。
【0022】光源部からの光は照明レンズ3に入射す
る。照明レンズ3の焦点位置にスリット開口101を配
置することで、スリット上の各点からの球面波は平面波
となりビームスプリッタ4を通過して上側マイクロレン
ズアレイ102を均一に照射する、簡易的なケーラー照
明系となる。この照明光は図1に示すようにスリット開
口101のスリットの長辺方向であるY方向には大きい
開口数(以下ではNAとする)を持つが、図2に示すよ
うにX方向は非常に小さいNAとなりほぼ平行光であ
る。
【0023】上側マイクロレンズアレイ102に入射し
た照明光は集光され、上側マイクロレンズアレイ102
の焦点位置に同軸で配置された、同じ焦点距離を有する
下側マイクロレンズアレイ103上にスリット開口10
1の像を結ぶ。この部分の詳細を図5に示す。スリット
開口101の長辺の長さは、下側マイクロレンズアレイ
上でのスリット開口101の像が一個一個のマイクロレ
ンズの直径に等しくなるように決める。例えば、照明レ
ンズ3の焦点距離が200mmで、マイクロレンズの直
径が100μm、焦点距離が1mmである場合、結像倍
率は1/200倍であるから100μmの200倍、つ
まり20mmのスリット長さが必要である。
【0024】以上のようにして、下側マイクロレンズア
レイ103の各マイクロレンズ上にマイクロレンズの数
だけのスリット開口101の像ができることになる。そ
のスリット像が通過するように、図4に示すように下側
マイクロレンズアレイ103の面上にはスリットアレイ
104が形成される。スリットアレイは遮光膜部、例え
ば酸化クロム/クロム/酸化クロムからなる三層の膜に
エッチングを施してスリット開口パターンを形成する。
【0025】下側マイクロレンズアレイ103上で結像
した照明光はスリットアレイ104を通過する。このと
き、下側マイクロレンズアレイ103の屈折効果によっ
てスリット開口101の像の各点からの光は全て真下に
向かって射出されることになる。
【0026】もう少し詳しく図5を使って説明する。照
明レンズ3によって平面波となった照明光はそれぞれあ
る角度を持って上側マイクロレンズアレイ102に入射
する。平面波がマイクロレンズに入射すると球面波とな
ってマイクロレンズの焦点位置に集光される。これがス
リット開口101の像である。マイクロレンズに入射し
た平面波の主光線はマイクロレンズ自体が絞りとなるか
ら、マイクロレンズの中心を通る光線(図点線)であ
る。下側マイクロレンズアレイ103と上側マイクロレ
ンズアレイは同じ焦点距離であるから、上側マイクロレ
ンズアレイ102の各マイクロレンズの中心から出た光
線は下側マイクロレンズアレイ103の焦点を通る光と
なるから下側マイクロレンズアレイ103を通過後は平
行光となる。つまり、スリット開口101の像を形成す
る各点の光束は真下へ(対物レンズの方へ)球面波とな
って放射されることになる。
【0027】スリットアレイ104を通過した光はレン
ズ7aとテレセントリック絞り8とレンズ7bとにより
構成される両側テレセントリックな対物レンズ7を通過
し、スリットアレイ104の像、すなわちスリット開口
101のマルチスリット像を物体面に形成する。
【0028】物体Aにより反射された光は再び対物レン
ズ7により集光されてスリットアレイ104付近に結像
し、スリットアレイ104によって遮光される、あるい
はスリットアレイ104の開口を通過する。
【0029】スリットアレイ104を通過した光はマイ
クロレンズアレイ103,102によって照明時と全く
逆の作用を受けて角度を持った平面波として上方へ射出
される。射出された光はビームスプリッタ4によって偏
向され、再結像レンズ9によって2次元検出器10に導
かれ、光電変換されて電気的な画像信号として出力され
る。
【0030】再結像レンズ9は従来技術の2次元配列型
共焦点光学系と同様に上側マイクロレンズアレイ102
の像を2次元検出器10上に結ぶ光学配置としてある。
マイクロレンズアレイは隣り合うマイクロレンズ間にす
き間がほとんどないようにつくられるので、2次元検出
器10上での強度分布は基本的になめらかであり、2次
元検出器10の画素とスリット、あるいはマイクロレン
ズとの位置あわせは特に必要ない。
【0031】上側マイクロレンズアレイ102から再結
像レンズ9、2次元検出器10までの考え方は全く従来
技術の2次元配列型共焦点光学系と同じである。
【0032】結局この非走査型マルチスリット共焦点撮
像系は従来技術の2次元配列型共焦点光学系のピンホー
ルアレイのピンホールをスリットとしたものであり、い
わゆるスリット共焦点と呼ばれる構造である。スリット
共焦点はスリット長手方向の解像度の点で若干劣るがピ
ンホールの共焦点とほとんど変わらない特性をもつ。そ
のため2次元配列型共焦点光学系と全く同様に表面形状
計測に用いることができる。
【0033】2次元検出器10としては一般的なCCD
センサー(CCDカメラ)をもちいることができる。も
ちろんCCDセンサーだけでなく、MOSセンサーや、
ビジコンカメラなどあらゆる2次元検出器を用いること
ができる。1次元だけの情報しか必要ないのであれば1
次元検出器(ラインセンサー)を用いてもよい。
【0034】マイクロレンズアレイ102,103表面
や、スリットアレイ104の遮光膜部で反射した照明光
が2次元検出器10に届くのを防ぐために、ビームスプ
リッタ4は偏光ビームスプリッタを用いる方がより現実
的である。その場合は対物レンズ7の内部あるいは上側
または下側に1/4波長板を配置した方がよい。
【0035】また、ビームスプリッタ4をダイクロイッ
クプリズムとして、光源を紫外線にすれば蛍光顕微鏡と
しても利用することができる。
【0036】次に、マルチスリット微小走査機構11に
ついて説明する。図1に示すように光学ガラスの平行平
面11aが角度変化手段であるガルバノメータースキャ
ナ11b(1)に取り付けられており、コントローラ1
1b(2)により平行平面11aの角度がコントロール
されるようになっている。
【0037】図6によりこの機構による作用を説明す
る。対物レンズ7(図6にはレンズ7bのみ描かれてい
る)が両側テレセントリックなレンズであるから、レン
ズ7bを通過した主光線は物体空間内では平行である。
ここに平行平面11aが図6のように傾いて挿入される
と主光線がΔだけシフトする。主光線がシフトするとい
うことはつまり、物体に投影されるマルチスリット全体
がシフトするということである。ガルバノメータースキ
ャナー11b(1)によって平行平面11aの角度を変
化させればそれとともにマルチスリット全体が物体に対
してスキャンされることになる。
【0038】スキャンは解像度を低下させないように1
画素(スリット間距離)相当の範囲内でのみの微少スキ
ャンを行う。先にも述べたように、マルチビームタイプ
の共焦点光学系の場合、隣り合うスポットあるいはスリ
ットの間隔は、スポット径あるいはスリット幅の少なく
とも5倍は取る必要がある。この間隔が十分にとられな
いと一般の光学系と変わらなくなってしまい、計測が不
可能となる。スポット光があたっていない領域(不感領
域)があることを利用してその部分を、2次元検出器1
0の露光時間内に微少スキャンすれば解像度を低下させ
ることなくかつ撮像速度を落とすことなく平滑化が可能
となる。スポットの場合、つまり従来の2次元配列型共
焦点光学系においては、この微小走査を行うことにより
スペックルを平滑化する発明が、本発明と同一の発明者
によりなされていることは従来技術のところで述べた。
本発明は非走査型マルチスリット共焦点撮像系に対して
同様のことを行うものである。
【0039】これにより従来技術と同様にスペックルの
平滑化がなされるだけでなく、スポットの場合と異なり
不感領域が全くない状態にすることができる。つまり、
図4のようなY方向に長いマルチスリットをX方向のプ
ラスマイナス方向にマイクロレンズの半径相当の距離ず
つスキャンすれば照明がなされない領域(不感領域)は
全くなくなる。
【0040】本実施例ではマルチスリット微小走査機構
11として平行平面とガルバノメータースキャナを組み
合わせたものを示したが、本発明の本質は、検出器の露
光時間内にスリットを物体に対して微小スキャンさせる
ことにあり、実現手段はその他にも色々と考えることが
できる。例えば、対物レンズのテレセントリック絞りの
位置で90度に光路を折り曲げ、光路を折り曲げるため
のミラーをガルバノメータースキャナーにより振ること
でも本実施例と全く同様の効果が得られる。または、物
体、または光学系をピエゾ素子により振ることでも同様
の効果となる。
【0041】
【発明の効果】本発明により、2次元配列型の共焦点式
測定装置の問題点であった不感領域がなくなり、かつス
ペックルの平滑化も可能となる。このことにより光る領
域が画素サイズ以下の大きさしかない物体、例えば小さ
いボールの頂点高さの計測であっても問題なく計測する
ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の第一の例のYZ平面を示
した図である。
【図2】本発明の実施の形態の第一の例のXZ平面を示
した図である
【図3】スリット開口を示す図である。
【図4】スリットアレイを示す図である。
【図5】マイクロレンズアレイ付近の光線の挙動を説明
するための図である。
【図6】マルチスリット微小走査機構を説明するための
図である。
【図7】従来技術の2次元配列型共焦点光学系の例を示
す図である。
【図8】共焦点光学系を説明するための図である。
【図9】BGA、CSPを説明するための図である。
【符号の説明】
1 光源 3 照明レンズ 4 ビームスプリッタ 7 対物レンズ 8 テレセントリック絞り 9 再結像レンズ 10 2次元検出器 11 マルチスリット微小走査機構 101 スリット開口 102 上側マイクロレンズアレイ 103 下側マイクロレンズアレイ 104 スリットアレイ S 非走査型マルチスリット共焦点撮像系 A 物体
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成11年2月4日(1999.2.4)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図3
【補正方法】変更
【補正内容】
【図3】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図4
【補正方法】変更
【補正内容】
【図4】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図5
【補正方法】変更
【補正内容】
【図5】
【手続補正4】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図9
【補正方法】変更
【補正内容】
【図9】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のスリット開口を持ち、背後から照
    明されたスリット開口の像を対物レンズにより物体面に
    結像させ、物体から反射してきた光を再び同一の対物レ
    ンズで集光し、前記スリット開口と光学的に同一の位置
    にあるスリット開口を通過した反射光の量を2次元検出
    器で検出する構造を有する非走査型マルチスリット共焦
    点撮像系と、前記2次元検出器の1回の露光時間内に前
    記の複数スリット開口の像を、物体に対して微小に走査
    するマルチスリット微小走査機構とを備えることを特徴
    とするマルチスリット走査撮像装置。
  2. 【請求項2】 非走査型マルチスリット共焦点撮像系は
    スリット形状の光源と、前記光源の各点からの光を平行
    光とする照明レンズと、前記照明レンズから射出された
    照明光から前記スリット光源の微小像を多数結像させる
    上部マイクロレンズアレイと、前記上部マイクロレンズ
    アレイの焦点位置つまり前記スリット光源が結像する位
    置に前記上部マイクロレンズアレイと同軸でかつ同じ焦
    点距離のレンズよりなる下部マイクロレンズアレイと、
    前記下部マイクロレンズアレイと同じ位置に前記スリッ
    ト光源の像が透過するように設けられるスリットアレイ
    と、このスリットアレイの像を物体上に投影する対物レ
    ンズと、物体から反射して前記対物レンズにより集光さ
    れ前記スリットアレイを通過した反射光を偏向させるビ
    ームスプリッタと、物体からの反射光を受光する2次元
    検出器と、前記スリットアレイと前記2次元検出器が共
    役関係となるように配置された再結像レンズとにより構
    成されることを特徴とする請求項1記載のマルチスリッ
    ト走査撮像装置。
  3. 【請求項3】 マルチスリット微小走査機構は、対物レ
    ンズと物体との間に位置する光透過性の平行平面と、こ
    の平行平面の光軸に対する角度を変化させる角度変化手
    段とにより構成されることを特徴とする請求項1および
    請求項2記載のマルチスリット走査撮像装置。
  4. 【請求項4】 角度変化手段はガルバノメータースキャ
    ナであることを特徴とする請求項3記載のマルチスリッ
    ト走査撮像装置。
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