JP2699747B2 - 走査型レーザ変位計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型レーザ変位計に
関し、特に表面粗さが大きく散乱しやすい物や斜面を有
する物を測定する走査型レーザ変位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の走査型レーザ変位計を説
明する斜視図である。

【０００３】図５の走査型レーザ変位計は一軸ステージ
を有する測定台５０に載置された測定物５５であるＩＣ
を走査する走査光学系を備えている。

【０００４】この走査光学系は、レーザ５１と、レーザ
５１のビーム径を所要のビーム径に拡大するビーム拡大
器５２と、レーザ光を測定台５０の真上から測定台５０
の送り方向と直交する方向に走査させるガルバノスキャ
ナ５３と、ガルバノスキャナ５３で走査されたレーザ光
を測定台５０の測定面上で所要のビーム径に集光させ、
かつ定速度で走査させるｆθレンズ５４とを有する。

【０００５】走査されたレーザ光の測定物５５の反射光
の中で走査方向に直交する方向に反射する光の一部を斜
め上方から集光レンズ５７で集光し、集光レンズ５７を
通過したレーザ光をシリンドリカルレンズ５８で走査方
向に集光し、さらにこのレーザ光を集光レンズ５７と、
シリンドリカルレンズ５８の焦点位置に置かれた受光素
子５９で受光する。

【０００６】図６は、測定物５５の高さ測定の原理を説
明するための平面図である。

【０００７】測定物５５に真上からレーザ光６０を当て
測定対象物５５からの反射光をレーザの入射方向から角
度θ傾いた方向で集光レンズ５７を介して受光素子５９
で受光した場合、集光レンズ５７の倍率をｍとすると、
測定物５５の高さｔと受光素子５９上での距離ｄ（高さ
ｔからの反射光の受光位置と測定台５０の表面からの反
射光の受光位置との間の距離）との関係は

【０００８】

【０００９】で与えられる。従って受光素子５９上の受
光位置の変位を測ることで測定物５５の高さが測定でき
る。

【００１０】図７（ａ），（ｂ）は、図５に示す走査型
レーザ変位計による一方向に変化する斜度を有する半田
フィレット６１の測定を説明するための側面図である。

【００１１】同図（ａ）のように半田フィレット６１の
傾きが小さい部分にレーザ光６０を当て反射方向が受光
方向に近い場合は集光レンズ５７により光を受光するこ
とができ高さを測定できるが、同図（ｂ）のように傾斜
が大きくなると反射方向が水平方向に傾き集光レンズ５
７で十分な光量を受光できずＳ／Ｈ比が悪くなり半田フ
ィレット６１の高さを測定することが困難である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この従来の走査型レー
ザ変位計では、レーザを測定対象物の真上から走査し斜
め上方から乱反射光の一部を利用した高さ測定を行って
いるため、半田フィレットのように小さな傾斜から大き
な傾斜まで連続的に変化する斜面を有する物は、測定箇
所により反射角度が変化しそれに伴い受光量が大きく変
動し測定できる斜面の領域が限られるという課題があっ
た。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型レーザ変
位計は、（Ａ）測定物を載置し一方向にステップ送りさ
れる測定台と（Ｂ）レーザと、前記レーザのビーム径を
所要のビーム径に拡大するビーム拡大器と、前記ビーム
拡大器で拡大されたレーザ光を前記測定台の送り方向と
直交する方向に走査するスキャナと、前記スキャナで走
査されたレーザ光を前記測定台の測定面上で所要のビー
ム径に収束しかつ一定の走査速度で走査軌跡が前記測定
台の送り方向と直交するように配置されたｆθレンズと
で構成され、前記測定台の真上から鉛直下方にレーザ光
を走査する走査光学系と、（Ｃ）光軸が前記測定台の測
定面と平行かつ焦点が前記走査光学系による垂直走査面
内にあり焦点軸が走査軌跡と平行となるように前記測定
台の斜め上方に配置された放物面筒鏡と、前記放物面筒
鏡を保持して鉛直方向に上下移動させる移動機構と、前
記放物面筒鏡と対向し光軸が前記放物面筒鏡の光軸と平
行となるように配置された第１のシリンドリカルレンズ
と、前記第１のシリンドリカルレンズの焦点位置におか
れ光軸近傍外の光を遮光するスリット状の開口部を有す
るマスクと、前記第１のシリンドリカルレンズの光軸上
におかれ前記マスクを通過した光を再度平行光にする第
２のシリンドリカルレンズと、前記第２のシリンドリカ
ルレンズの光軸上におかれ平行光を再度集光する第３の
シリンドリカルレンズと、前記第３のシリンドリカルレ
ンズの光軸上におかれ走査方向に集光する第４のシリン
ドリカルレンズと、前記第３および第４のシリンドリカ
ルレンズの焦点位置に置かれ前記第４のシリンドリカル
レンズを通った光を受光する受光素子とで構成される受
光光学系と、（Ｄ）前記受光光学系の前記移動機構を制
御して前記放物面筒鏡を所定の周期で上下移動させる放
物面筒鏡位置制御回路と、前記受光素子の出力が所定の
レベルに達した時に前記放物面筒鏡の位置を前記放物面
筒鏡位置制御回路の出力から読み取り測定物の高さを求
める高さ測定回路と、前記放物面筒鏡の上下移動に同期
して前記測定台を所定のピッチでステップ送りするステ
ージ制御回路とで構成される信号処理回路とを備える。

【００１４】本発明の走査型レーザ変位計は、（Ａ）測
定対象物を載置し一方向にステップ送りされる測定台
と、（Ｂ）レーザと、前記レーザのビーム径を所要のビ
ーム径に拡大するビーム拡大器と、前記ビーム拡大器で
拡大されたレーザ光を前記測定台の送り方向と直交する
方向に走査するスキャナと、前記スキャナで走査された
レーザ光を前記測定台の測定面上で所要のビーム径に収
束しかつ一定の走査速度で走査軌跡が前記測定台の送り
方向と直交するように配置されたｆθレンズとで構成さ
れ、前記測定台の真上から鉛直下方にレーザ光を走査す
る走査光学系と、（Ｃ）光軸が前記測定台の測定面と平
行かつ焦点が前記走査光学系による垂直走査面内にあり
焦点軸が走査軌跡と平行となるように前記測定台の斜め
上方に配置された放物面筒鏡と、前記放物面筒鏡を保持
して鉛直方向に上下移動させる移動機構と、前記放物面
筒鏡と対向し光軸が前記放物面筒鏡の光軸と平行となる
ように配置され鉛直方向に集光する第１のシリンドリカ
ルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズの光軸上
にあり走査方向に集光する第２のシリンドリカルレンズ
と、前記第２のシリンドリカルレンズを通った光を受光
し前記第１および第２のシリンドリカルレンズの焦点位
置を通る分割線で受光面が上下に分割された二分割セン
サとで構成される受光光学系と、（Ｄ）前記受光光学系
の前記移動機構を制御して前記放物面筒鏡を上下移動さ
せる放物面筒鏡位置制御回路と、前記受光光学系の二分
割センサの２つの出力差を求める作動増幅回路と、前記
走査光学系の走査に同期して所定のサンプリング時間で
前記差動増幅回路の出力を読み取り出力が一走査前の同
一位置における出力に対して反転した時に前記放物面筒
鏡の位置を前記放物面筒鏡位置制御回路の出力から読み
取り測定物の高さを求める高さ測定回路と、前記測定台
を移動し測定箇所を指定するステージ制御回路とで構成
される信号処理回路とを備える。

【００１５】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１６】図１は、本発明の一実施例の斜視図であ
る。

【００１７】本実施例は次の（ａ）〜（ｄ）のもので構
成されている。

【００１８】（ａ）測定物を載置し一方向にステップ送
りされる測定台１ （ｂ）レーザ３と、レーザ３のビーム径を所要のビーム
径に拡大するビーム拡大器４と、レーザ光を測定台１の
送り方向と直交する方向に走査するガルバノスキャナ５
と、ガルバノスキャナ５で走査されたレーザ光を測定台
１の測定面上で所要のビーム径に収束しかつ一定の走査
速度で走査軌跡が測定台１の送り方向と直交するように
配置されたｆθレンズ６とで構成され、測定台１の真上
から鉛直下方にレーザ光を走査する走査光学系２ （ｃ）光軸が測定台１の測定面と平行かつ焦点が走査光
学系２による垂直走査面内にあり焦点軸が走査軌跡と平
行となるように測定台１の斜め上方に配置された放物面
筒鏡８と、放物面筒鏡８を保持して鉛直方向に上下移動
させる移動機構９と、放物面筒鏡８と対向し、光軸が放
物面筒鏡８の光軸と平行となるように配置された第１の
シリンドリカルレンズ１０と、第１のシリンドリカルレ
ンズ１０の焦点位置におかれ光軸近傍外の光を遮光する
スリット状の開口部を有するマスク１１と、第１のシリ
ンドリカルレンズ１０の光軸上におかれマスク１１を通
過した光を再度平行光にする第２のシリンドリカルレン
ズ１２と、第２のシリンドリカルレンズ１２の光軸上に
おかれ平行光を再度集光する第３のシリンドリカルレン
ズ１３と、第３のシリンドリカルレンズ１３の光軸上に
おかれこの第３のシリンドリカルレンズ１３を通過した
光を走査方向に集光する第４のシリンドリカルレンズ１
４と、第３および第４のシリンドリカルレンズ１３，１
４の焦点位置におかれこれらを通った光を受光する受光
素子１５とで構成される受光光学系７ （ｄ）図２に示すように、受光光学系２の移動機構９を
指令して放物面筒鏡８を所定の周期および振幅で上下移
動させる放物面筒鏡位置制御回路１７と、走査光学系２
の走査同期検出手段（一般的には走査開始位置に２分割
センサ設置）のトリガ一信号に同期し一走査ごとに所定
のサンプリング時間で受光素子１５の出力を読み取り出
力が所定のレベルに達した時に放物面筒鏡８の位置を放
物面筒鏡位置制御回路１７の出力から読み取り高さを求
める高さ測定回路１８と、放物面筒鏡位置制御回路１７
の位置制御信号に同期し放物面筒鏡８の上下移動の半周
期（放物面筒鏡８の上向きの移動期間および下向きの移
動期間）ごとに測定台１を所定のピッチでステップ送り
するステージ制御回路１９とで構成される信号処理回路
１６。

【００１９】図３（ａ），（ｂ）は、図１に示した受光
光学系７の高さ測定原理を説明するための平面図であ
る。

【００２０】図３（ａ）は、測定物２０の高さが放物面
筒鏡８の焦点位置２１と一致している場合である。この
時測定物２０からの散乱光は放物面筒鏡８で反射し放物
面筒鏡８の光軸と平行な反射光２３となって第１のシリ
ンドリカルレンズ１０に入射し第１のシリンドリカルレ
ンズ１０の光軸上に焦点を結ぶため、マスク１１の開口
部を通り、マスク１１で遮光されずに通過でき、通過し
た光を受光素子１５で検出できる。

【００２１】図３（ｂ）は、測定物２０’の高さが焦点
位置２１より高い場合である。この時、反射光２３’は
放物面筒鏡８の光軸と平行な光とならず下側に傾く。そ
の結果第１のシリンドリカルレンズ１０を通過した光は
光軸の下側で結像し、マスク１１で遮光される。

【００２２】一方、測定物が焦点位置２１より低い場合
は、光軸の上側で結像し同様にマスク１１で遮光され
る。

【００２３】以上の原理に基づき、測定物の走査面上で
放物面筒鏡８の焦点位置２１と高さのほぼ等しい領域の
み検出でき、放物面筒鏡８の高さを変え、順次繰り返す
ことにより測定物の高さを測定できる。

【００２４】図４（ａ），（ｂ）は図１に示す走査型レ
ーザ変位計による一方向に傾斜している半田フィレット
２４の測定を説明する平面図である。同図（ａ）は、傾
きの小さい斜面部、また同図（ｂ）は傾きの大きい斜面
部による反射の様子をそれぞれ表している。いずれの場
合も半田フィレット２４の測定部の上面が放物面筒鏡８
の焦点位置２１に一致していれば、半田フィレット２４
からの反射散乱光は放物面筒鏡８から光軸に平行に反射
し受光素子１５により検出される。

【００２５】半田フィレット２４の測定部の傾きが小さ
い場合は半田フィレット２４からの反射散乱光が鉛直方
向に近く、傾きが大きくなるに従い水平方向に傾いてく
る。放物面筒鏡８は焦点に対して数度〜９０度近くまで
広い角度範囲で反射光をとらえることができるため、半
田フィレットのように斜度が変化する斜面に対しても、
広範囲を安定して高さを測定できる。

【００２６】図８は、本発明の他の実施例の斜視図であ
る。

【００２７】本実施例は次の（ａ）〜（ｄ）のもので構
成されている。

【００２８】（ａ）測定対象物を載置し一方向にステッ
プ送りされる測定台１ （ｂ）レーザ３と、レーザ２のビーム径を所要のビーム
径に拡大するビーム拡大器４と、レーザ光を測定台１の
送り方向と直交する方向に走査するガルバノスキャナ５
と、ガルバノスキャナ５で走査されたレーザ光を測定台
１の測定面上で所要のビーム径に収束しかつ一定の走査
速度で走査軌跡が測定台１の送り方向と直交するように
配置されたｆθレンズ６とで構成され測定台１の真上か
ら鉛直下方に走査する走査光学系２ （ｃ）光軸が測定台１の測定面と平行かつ焦点が走査光
学系２による垂直走査面内にあり焦点軸が走査軌跡と平
行となるように測定台１の斜め上方に配置された放物面
筒鏡８と、放物面筒鏡８を保持して鉛直方向に上下移動
させる移動機構９と、放物面筒鏡８と対向し光軸が放物
面筒鏡８の光軸と平行となるように配置され鉛直方向に
集光する第１のシリンドリカルレンズ３１と、第１のシ
リンドリカルレンズ３１の光軸上にあり第１のシリンド
リカルレンズ３１を通った光を走査方向に集光する第２
のシリンドリカルレンズ３２と、第１および第２のシリ
ンドリカルレンズ３１，３２の焦点位置におかれこれら
を通った光を受光する二分割センサ３３（シリンドリカ
ルレンズ３１，３２の焦点を通る分割線で受光面が上下
に分けられている）とで構成される受光光学系３０ （ｄ）図９に示すように、受光光学系７の移動機構９を
指令して放物面筒鏡８の上下位置を制御する放物面筒鏡
位置制御回路３５と、二分割センサ２３の２つの出力差
を求める差動増幅回路３６と、走査光学系２の走査同期
検出手段（一般的には走査開始位置に二分割センサ設
置）のトリガ一信号に同期し一走査ごとに所定のサンプ
リング時間で差動増幅回路３６の出力を読み取り、出力
が一走査前の同一位置における出力に対して反転した時
に放物面筒鏡８の位置を放物面筒鏡位置制御回路３５の
出力から読み取り高さを求める高さ測定回路３７と、高
さ測定回路３７の終了信号に基づき測定台１を移動し測
定箇所を指定するステージ制御回路３８とを備えた信号
処理回路３４ 図１０（ａ），（ｂ）は図８に示した受光光学系３０に
おける高さ測定原理を説明するための側面図である。

【００２９】同図（ａ）は測定物２０の高さが放物面筒
鏡８の焦点位置２１と一致している場合である。この時
測定物２０からの散乱光は放物面筒鏡８で反射し放物面
筒鏡８の光軸と平行な反射光２３となって第１のシリン
ドリカルレンズ１０に入射し、第１のシリンドリカルレ
ンズ１０の光軸上で結像し、二分割センサ１２の２つの
出力差は等しくなる。

【００３０】同図（ｂ）は、測定物２０’の高さが焦点
位置２１より高い場合である。この時反射光２３’は放
物面筒鏡８の光軸と平行な光とならず下側に傾く。その
結果、第１のシリンドリカルレンズ１０を通過した光は
光軸の下側で結像し、二分割センサ１２の出力は下側が
大きくなる。同様にして測定物が放物面筒鏡８の焦点位
置より低い場合は光軸の上側で結像し、二分割センサ１
２の出力は上側が大きくなる。

【００３１】以上の原理に基づき、各走査位置で放物面
筒鏡８の位置を変え二分割センサ１２の出力差を読み取
り、二分割センサ１２の出力が一走査前の出力に対して
反転した時の放物面筒鏡８の位置から測定物の高さを求
めることができる。

【００３２】図１１（ａ），（ｂ）は図１に示す走査型
レーザ変位計による一方向に傾斜している半田フィレッ
ト２４の測定を説明する平面図である。同図（ａ）は、
傾きの小さい斜面部、また同図（ｂ）は傾きの大きい傾
斜部による反射の様子をそれぞれ表している。半田フィ
レット２４の傾斜部の傾きの小さい場合は鉛直方向に近
く、傾きが大きくなるに従い水平方向に傾いてくる。放
物面鏡は焦点に対して数度〜９０度近くまで広い角度範
囲で反射光をとらえることができるため、半田フィレッ
トのように斜度が変化する斜面に対しても、広範囲を安
定して高さ測定できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、放物面筒
鏡を用い、放物面筒鏡の焦点位置とほぼ一致する高さの
測定物からの反射光を受光素子で受光する光学系または
そのような反射光を検出する二分割センサを用いること
により、放物面筒鏡の高さを制御することで物の高さが
測定できる上、広い角度範囲で反射光をとらえることが
できるため一方向に斜度が変化する斜面に対しても広範
囲を安定して高さ測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の斜視図である。

【図２】図１に示した実施例の信号処理回路のブロック
図である。

【図３】図１に示した実施例の高さ測定原理を説明する
ための側面図である。

【図４】図１に示した実施例による半田フィレット部の
測定を説明するための側面図である。

【図５】従来の走査型レーザ変位計を示す斜視図であ
る。

【図６】図５に示した従来の走査型レーザ変位計の高さ
測定原理を説明するための側面図である。

【図７】図５に示した従来の走査型レーザ変位計による
半田フィレット部の測定を説明するための平面図でる。

【図８】本発明の他の実施例の斜視図である。

【図９】図１に示した信号処理回路３４のブロック図で
ある。

【図１０】図８に示した実施例の高さ測定原理を説明す
るための側面図である。

【図１１】図８に示した実施例による半田フィレット部
の測定を説明するための側面図である。

【符号の説明】

１，５０ 測定台 ２ 走査光学系 ３，５１ レーザ ４，５２ ビーム拡大器 ５．５３ ガルバノスキャナ ６，５４ ｆθレンズ ７ 受光光学系 ８ 放物面筒鏡 ９ 移動機構 １０ 第１のシリンドリカルレンズ １１ マスク １２ 第２のシリンドリカルレンズ １３ 第３のシリンドリカルレンズ １４ 第４のシリンドリカルレンズ １５，５９ 受光素子 １６ 信号処理回路 １７，３５ 放物面筒鏡位置制御回路 １８ 高さ測定回路 １９，３８ ステージ制御回路 ２０，２０’，５５ 測定物 ２１ 焦点位置 ２２，６０ レーザ光 ２３，２３’，６２，６２’ 反射光 ２４，６１ 半田フィレット ３０ 受光光学系 ３１ 第１のシリンドリカルレンズ ３２ 第２のシリンドリカルレンズ ３３ 二分割スンサ ３４ 信号処理回路 ３６ 差動増幅回路 ３７ 高さ測定回路 ５１ レーザ ５７ 集光レンズ ５８ シリンドリカルレンズ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）測定物を載置し一方向にステップ
   送りされる測定台と （Ｂ）レーザと、前記レーザのビーム径を所要のビーム
   径に拡大するビーム拡大器と、前記ビーム拡大器で拡大
   されたレーザ光を前記測定台の送り方向と直交する方向
   に走査するスキャナと、前記スキャナで走査されたレー
   ザ光を前記測定台の測定面上で所要のビーム径に収束し
   かつ一定の走査速度で走査軌跡が前記測定台の送り方向
   と直交するように配置されたｆθレンズとで構成され、
   前記測定台の真上から鉛直下方にレーザ光を走査する走
   査光学系と、 （Ｃ）光軸が前記測定台の測定面と平行かつ焦点が前記
   走査光学系による垂直走査面内にあり焦点軸が走査軌跡
   と平行となるように前記測定台の斜め上方に配置された
   放物面筒鏡と、前記放物面筒鏡を保持して鉛直方向に上
   下移動させる移動機構と、前記放物面筒鏡と対向し光軸
   が前記放物面筒鏡の光軸と平行となるように配置された
   第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリ
   カルレンズの焦点位置におかれ光軸近傍外の光を遮光す
   るスリット状の開口部を有するマスクと、前記第１のシ
   リンドリカルレンズの光軸上におかれ前記マスクを通過
   した光を再度平行光にする第２のシリンドリカルレンズ
   と、前記第２のシリンドリカルレンズの光軸上におかれ
   平行光を再度集光する第３のシリンドリカルレンズと、
   前記第３のシリンドリカルレンズの光軸上におかれ走査
   方向に集光する第４のシリンドリカルレンズと、前記第
   ３および第４のシリンドリカルレンズの焦点位置に置か
   れ前記第４のシリンドリカルレンズを通った光を受光す
   る受光素子とで構成される受光光学系と、 （Ｄ）前記受光光学系の前記移動機構を制御して前記放
   物面筒鏡を所定の周期で上下移動させる放物面筒鏡位置
   制御回路と、前記受光素子の出力が所定のレベルに達し
   た時に前記放物面筒鏡の位置を前記放物面筒鏡位置制御
   回路の出力から読み取り測定物の高さを求める高さ測定
   回路と、前記放物面筒鏡の上下移動に同期して前記測定
   台を所定のピッチでステップ送りするステージ制御回路
   とで構成される信号処理回路と を備えることを特徴とする走査型レーザ変位計。
2. 【請求項２】 （Ａ）測定対象物を載置し一方向にステ
   ップ送りされる測定台と、 （Ｂ）レーザと、前記レーザのビーム径を所要のビーム
   径に拡大するビーム拡大器と、前記ビーム拡大器で拡大
   されたレーザ光を前記測定台の送り方向と直交する方向
   に走査するスキャナと、前記スキャナで走査されたレー
   ザ光を前記測定台の測定面上で所要のビーム径に収束し
   かつ一定の走査速度で走査軌跡が前記測定台の送り方向
   と直交するように配置されたｆθレンズとで構成され、
   前記測定台の真上から鉛直下方にレーザ光を走査する走
   査光学系と、 （Ｃ）光軸が前記測定台の測定面と平行かつ焦点が前記
   走査光学系による垂直走査面内にあり焦点軸が走査軌跡
   と平行となるように前記測定台の斜め上方に配置された
   放物面筒鏡と、前記放物面筒鏡を保持して鉛直方向に上
   下移動させる移動機構と、前記放物面筒鏡と対向し光軸
   が前記放物面筒鏡の光軸と平行となるように配置され鉛
   直方向に集光する第１のシリンドリカルレンズと、前記
   第１のシリンドリカルレンズの光軸上にあり走査方向に
   集光する第２のシリンドリカルレンズと、前記第２のシ
   リンドリカルレンズを通った光を受光し前記第１および
   第２のシリンドリカルレンズの焦点位置を通る分割線で
   受光面が上下に分割された二分割センサとで構成される
   受光光学系と、 （Ｄ）前記受光光学系の前記移動機構を制御して前記放
   物面筒鏡を上下移動させる放物面筒鏡位置制御回路と、
   前記受光光学系の二分割センサの２つの出力差を求める
   作動増幅回路と、前記走査光学系の走査に同期して所定
   のサンプリング時間で前記差動増幅回路の出力を読み取
   り出力が一走査前の同一位置における出力に対して反転
   した時に前記放物面筒鏡の位置を前記放物面筒鏡位置制
   御回路の出力から読み取り測定物の高さを求める高さ測
   定回路と、前記測定台を移動し測定箇所を指定するステ
   ージ制御回路とで構成される信号処理回路と を備えることを特徴とする走査型レーザ変位計。