JP4888807B2

JP4888807B2 - 走査型形状計測機

Info

Publication number: JP4888807B2
Application number: JP2006225866A
Authority: JP
Inventors: 克田代
Original assignee: オプトウエア株式会社
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008032668A

Description

本発明は、表面に凹凸をもつ物体上に光を走査し、反射光を受光して表面上の位置や高さ検査を行う走査型形状計測機に関する。

表面の凹凸を２次元的に計測する従来技術としては代表的なものに三角測量法と共焦点法があり、三角測量法における従来技術としては例えば特開平６−１６７３２２に示されたものがあげられる。これを図６に示す。

レーザ光源１６は、例えば半導体レーザとコリメーションレンズの組み合わせであり、このレーザ光源１６とポリゴンスキャナ６と走査レンズ２１の組み合わせによる投光光学系によって搬送系２９上に載置されている測定対象上に一次元的に走査されるものとなっている。

又、搬送ステージは、制御／測定部２８の制御によって投光光学系によるレーザ光の一次元的な走査方向に対して直交する方向に移動するものとなっている。従って、投光光学系によるレーザ光の一次元的な走査と搬送系２９の移動とにより、レーザ光は二次元走査される。

一方、投光光学系と対称となる斜め上方には、結像光学系３０が配置され、反射光が結像光学系３０を通して高さ測定手段としてのＰＳＤ（光位置検出器）３１に結像されるものとなっている。

このＰＳＤ３１に結像されるレーザ光は、三角測量原理に基づき対象上のレーザ光の照射される位置の高さに応じて移動し、これによりＰＳＤ３１からは、レーザ光の位置と対象からの反射光量に応じて電流による出力信号Ａ１、Ｂ１が流れるものとなっている。

このＰＳＤ３１の各出力Ａ１、Ｂ１の出力端子には、それぞれＩ−Ｖ変換器２３が接続され、さらにこれらＩ−Ｖ変換器２３の出力がＡ／Ｄ変換機２４によりデジタルデータに変換されたあと制御／測定部２８に送られ（Ａ１−Ｂ１）／（Ａ１＋Ｂ１）の計算が行われ、これが高さ測定信号として出力される。

一方、共焦点法で走査を行うものとしては例えば特開２００６−０９１５０７号に示されたものが上げられる。
この共焦点顕微鏡は、光源からの光を試料上に集光する第１の集光レンズと、１つのピンホールを有するピンホール部材と、試料からの光をピンホールに集光する第２の集光レンズと、回転軸を中心にこの回転軸に対してそれぞれ異なる角度をなす複数の鏡面を有するポリゴンミラーと、光源からの光をポリゴンミラーへ導き、ポリゴンミラーから導かれてくる試料からの光を第２の集光レンズへ導くビームスプリッタと、ピンホールに集光した光を検出する光検出ユニットと、光検出ユニットにより検出された光とポリゴンミラーの回転に対応した信号に基づき、試料の２次元像を生成する制御装置とを備えるものである。

なお共焦点法の例として非走査で分光情報を用いるものとして例えばドイツ特許ＧＢ２１４４５３７が上げられる。これは照明光を軸方向にスペクトル分割し、物体上へ焦点を合わせ、その際どの焦点にもある決まった波長が対応し、物体から反射した光はビームスプリッタを通じて分散素子上へ到達し、ここから光ダイオードアレイ上へ焦点合わせされる。光ダイオードアレイからの読み取り値によって最も強い信号を求め、物体表面に関するものであると結論するものである。

上記三角測量法の例では原理的に必ず光を斜めから投射しなければならないので高さによって位置ずれが発生してしまう。また対象物位置が焦点に一致せず、かつ対象部が傾くあるいは反射光分布が偏った方向性をもつと誤差が大きくなるという問題点がある。

上記共焦点法で走査を行うものの例では焦点平面の情報は得られるが高さ方向の情報を得るには対象物または測定側の高さを変えて再度測定するという作業を行っていかなければならず時間がかかるという問題がある。

上記分光情報を用いる例では多数のホトダイオードを用いているがこれをひとつひとつ読み出す必要があるためすべてのホトダイオードデータを読むのに時間がかかり光による高速走査に適さないという問題点があった。
そこで本発明は、高速走査が可能でかつ測定可能な全範囲で焦点があわせられ、高さ方向の走査が不要な走査型形状計測機を提供することを目的とする。

本発明は以上の課題を解決するため以下のような構成としたものである。
複数の波長を含む点光源と、点光源からの光を走査する光走査機と、色収差を持つレンズと、対象物からの反射光を分けるビームスプリッタと、反射光を透過するピンホールまたはスリットまたは光ファイバと、ピンホールまたはスリットまたは光ファイバからの光を分光する分光器と分光された光の位置を検出するＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管を用いることとした。

上記のように、本発明による走査型形状計測機は、光走査手段によりスポット光で凹凸のある物体面を光走査することができ、また波長ピークにより光軸方向の位置が一度に取得できるので高さ方向の走査を行う必要がなく、波長毎に焦点位置が違うので対象物に合わせていつでも焦点があった状態になり、位置検出デバイスにＰＳＤや位置検出型光電子像倍管を使うことにより高速な波長ピーク位置測定が可能であるため、全体として高速高精度な形状計測が可能になるという効果がある。

以下に、本発明の走査型形状計測機の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は第１の実施の形態を示す走査型形状計測機の構成図である。光源１は、例えばハロゲンランプである。光源１から出射された光は、ピンホール２により点光源となり、コリメータレンズ３によりほぼ平行光に変換される。この平行ビームはビームスプリッタ４を介して色収差レンズ５に入射する。この色収差レンズによりもとのハロゲンランプに含まれていた短い波長の光は近距離に、長い波長の光は遠距離に焦点を結ぶ。このビームをポリゴンスキャナ６による走査光学系によって対象上に円弧を描くように走査されるものとなっている。

対象から反射した光はポリゴンミラー６を再び反射し、色収差レンズ５を逆行する。色収差レンズ５を出た光はビームスプリッタ４で反射され、集光レンズ７によりピンホール８上に集光する。ここではほぼ対象物上で焦点であった波長の光のみがピンホール８を通過することができる。ピンホール８を通過したある波長の光はコリメータレンズ９で平行光にされ、回折格子１０で分光され、結像レンズ１１で再度スポットに集光される。このときスポットができる位置は波長によって異なる。この位置を位置検出型光電子増倍管１２で検出し、演算することで対象物の距離を求めることができる。位置検出型光電子増倍管は応答が速いので高速走査にも十分対応できる。

次に図２を用いて動作を説明する。光源１から出射された光は、ピンホール２により点光源となり、コリメータレンズ３によりほぼ平行光に変換される。コリメータレンズ３は色収差補正されているものとし、ここでは簡単のためコリメータレンズは理想レンズと考えすべての波長の光が平行光になっているものとする。この平行ビームはビームスプリッタ４を介して色収差レンズ５に入射する。

この色収差レンズによりもとのハロゲンランプに含まれていた短い波長の光は近距離に、長い波長の光は遠距離に焦点を結ぶ。このビームをポリゴンスキャナ６による走査光学系によって対象上に円弧を描くように走査されるものとなっている。ここで例として対象物が角度θ１では波長λ１で焦点上にあり、角度θ２では波長λ２の焦点上にあるとし、角度θ３では波長λ３の焦点上にあるような形状であるとする。

対象から反射した光はポリゴンミラー６を再び反射し、色収差レンズ５を逆行する。このときたまたま対象物上で焦点があった波長は平行光に戻るが焦点が対象物上に合わなかった波長の光は収束するか拡散する。色収差レンズ５を出た光はビームスプリッタ４で反射され、集光レンズ７によりピンホール８上に集光する。

ここで先ほど対象物上で焦点であった波長の光は集光レンズ７手前で平行光であるためピンホール８上に集光されてピンホール８を通過することができる。しかし、対象物上で焦点でなかった波長の光は集光レンズ７手前で拡散または収束しているためピンホール８上では大きなスポットとなるためごくわずかしかピンホール８を通過することができない。よってピンホール８の出力光の波長は図２に示すように角度θ１ではλ１のみが、角度θ２ではλ２のみが、角度θ３ではλ３のみが通過していると考えて良い。

ピンホール８を通過したある波長の光はコリメータレンズ９で平行光にされ、回折格子１０で分光され、結像レンズ１１で再度スポットに集光される。このとき回折格子１０で分光されることにより波長により回折格子１０の出射角が異なるため、結像レンズ１１によるスポットができる位置は波長によって異なる。そのため図２に示すように角度θ１ではスポット位置はＬ１、角度θ２ではスポット位置はＬ２、角度θ３ではスポット位置Ｌ３に集光する。この位置を位置検出型光電子増倍管１２で検出する。

位置検出型光電子増倍管の出力にはＸＡ、ＸＢ、ＹＡ，ＹＢの４ｃｈがあるのでこのうちＸＢ／（ＸＡ＋ＸＢ）を演算することでＸ方向の入射位置を検出することができる。この結果から色収差レンズ５の特性を考慮した補正演算により対象物までの距離を求めることができる。ここにポリゴンスキャナの走査角度θを考慮すると対象物の形状は走査中心を原点とした曲座標系で認識できる。これを直交座標系に変換することにより対象物の断面形状を求めることができる。

次に図３を用いて第２の実施の形態を示す走査型形状計測機の構成を説明する。１５、１６、１７はレーザ光源で、例えば１５は波長６３５ｎｍ、１６は波長６５５ｎｍ、１７は波長６８５ｎｍの半導体レーザをコリメータレンズで平行光化した光源である。光源１５〜１７から出射された光は、ハーフミラー１８、１９によりひとつの平行ビームに重ねられる。

この平行ビームはビームスプリッタ４で反射され色収差レンズ５に入射する。本実施例の色収差レンズ５はほとんど集光せずに波長により平行度を変えるようになっている。その後ポリゴンスキャナ６および走査レンズ２１による走査光学系に入射する。この走査レンズにより像面湾曲が補正され、対象物にビームが入射する角度が垂直に近づく。また、色収差レンズ５の作用により波長６３５ｎｍの光は近距離に、波長６５５ｎｍの光は中間に、波長６８５ｎｍの光は遠距離に焦点を結ぶ。なお走査レンズは色収差レンズを兼ねるものを用いて色収差レンズ５を省略することは可能である。

対象から反射した光は走査レンズ２１を逆行し、ポリゴンミラー６を再び反射する。さらに色収差レンズ５を逆行し、ビームスプリッタ４を介して集光レンズ７によりピンホール８上に集光する。ここで対象物の位置と焦点が近かった波長の光が近かった比率に比例した光量でピンホール８を通過することができる。

ピンホール８を通過した光はコリメータレンズ９で平行光にされ、回折格子１０で分光され、結像レンズ１１で再度スポットに集光される。このときスポットができる位置は今回波長を３種類しか使っていないので３箇所である。この位置をＰＳＤ２０で検出する。

ＰＳＤ以降は従来例と同様にＡ，Ｂ２チャンネルにそれぞれＩ／Ｖ変換およびＡ／Ｄ変換を行い、制御／計測部において（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の値を演算することによりＰＳＤ内の光量重心位置を求める。ＰＳＤ入射光は焦点が近かった比率で３つの波長の光の光量が変化するのでＰＳＤ重心位置は距離に応じた変化を示す。これを演算・補正することで対象物の距離を求めることができる。

図４は第３の実施の形態を示す走査型形状計測機の構成図である。光源１は、例えばハロゲンランプである。光源１から出射された光は、ピンホール２により点光源となり、コリメータレンズ３によりほぼ平行光に変換される。この平行ビームはビームスプリッタ４を介して集光レンズ３ａに入射する。そして光ファイバ２５に入射する。

光ファイバ２５から出射した光はコリメータレンズ３ｃに入ってほぼ平行光に変換され色収差レンズ５に入射する。この色収差レンズ５によりもとのハロゲンランプに含まれていた短い波長の光は近距離に、長い波長の光は遠距離に焦点を結ぶ。このビームを揺動ミラーによる走査機例えばレゾナントスキャナ２６による走査光学系によって対象上に円弧を描くように走査されるものとなっている。

対象から反射した光はレゾナントスキャナ２６を再び反射し、色収差レンズ５を逆行する。色収差レンズ５を出た光はコリメータレンズ３ｃで再び光ファイバ２６に戻される。このとき対象物上で焦点であった波長の光は光ファイバ２６に戻ることができるが、対象物上と焦点が一致しない波長の光は光ファイバ上でスポットが大きくなりほとんど光ファイバに戻ることができない。

光ファイバ２６を逆行した光は集光レンズ３ｂにより平行光にされてビームスプリッタ４により反射され、分散プリズム１０ｂで分光され、結像レンズ１１で再度スポットに集光される。スポットができる位置は光ファイバに戻ることのできた光の波長によって変動する。この位置を位置検出型光電子増倍管１２で検出し、演算することで対象物の距離を求めることができる。

図５は第４の実施の形態を示す走査型形状計測機の構成図である。光源１は、例えばハロゲンランプである。光源１から出射された光は、直接光ファイバ２５に入力される。光ファイバ２５から出射した光はコリメータレンズ３ｃによってほぼ平行光に変換され色収差レンズ５に入射する。

この色収差レンズ５によりもとのハロゲンランプに含まれていた短い波長の光は近距離に、長い波長の光は遠距離に焦点を結ぶ。このビームを揺動ミラーによる走査機例えばレゾナントスキャナ２６による走査光学系によって対象上に円弧を描くように走査されるものとなっている。

対象から反射した光はレゾナントスキャナ２６を再び反射し、色収差レンズ５を逆行する。色収差レンズ５を出た光はコリメータレンズ３ｃで再び光ファイバ２５に戻される。このとき対象物上で焦点であった波長の光は光ファイバ２５に戻ることができるが、対象物上と焦点が一致しない波長の光は光ファイバ上でスポットが大きくなりほとんど光ファイバ２５に戻ることができない。

光ファイバ２５を逆行した光はファイバカップラー型ビームスプリッタ４ｂにより分割されて、光ファイバ２７から出力され、コリメータレンズ９により平行光になり、回折格子１０で分光され、結像レンズ１１で再度スポットに集光される。

スポットができる位置は光ファイバに戻ることのできた光の波長によって変動する。この位置を位置検出型光電子増倍管１２で検出し、演算することで対象物の距離を求めることができる。本構成は走査部分がコンパクトであり、光源、分光部分を切り離すことができるのでランプ交換などのメンテナンス等も行いやすいので実用的な実施例といえる。ここで例としてレゾナントスキャナの揺動周波数を４ｋＨｚ、レンズ焦点距離を２０ｍｍとすると対象物上の光点走査速度は７４ｍ／ｓである。従来例にあるようなホトダイオードアレイではその位置を読み出すのに５０μｓ程度はかかるのでサンプリングは３．７ｍｍピッチでしか行えない。一方本実施例のようなＰＳＤや位置検出型光電子増倍管では応答時間は５０ｎｓ以下なので３．７μｍピッチのサンプリングが可能である。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。たとえば上記実施例のピンホールはスリットに置きかえても良い。また分光器は回折格子でなく分散プリズムでもよい。また分光器やビームスプリッタを通過する光は平行光でなくてもよい。

以上詳記したように本発明によれば、高速走査が可能でＺ軸走査が必要なくいつでも合焦点の状態で対象物の凹凸が計測できる高速高精度な共焦点法による走査型形状計測機を提供できる。

本発明の第１の実施例の構成図である。本発明の第１の実施例の動作説明図である。本発明の第２の実施例の構成図である。本発明の第３の実施例の構成図である。本発明の第４の実施例の構成図である。従来例の構成図である。

符号の説明

１は光源
２はピンホール
３はコリメータレンズ
３ｂは集光レンズ
３ｃはコリメータレンズ
４はビームスプリッタ
５は色収差レンズ
６はポリゴンスキャナ
７は集光レンズ
８はピンホール
９はコリメータレンズ
１０は回折格子
１０ｂは分散プリズム
１１は結像レンズ
１２は位置検出型光電子増倍管
１５は６３５ｎｍレーザ光源
１６は６５５ｎｍレーザ光源
１７は６８５ｎｍレーザ光源
１８、１９はハーフミラー
２０はＰＳＤ
２１は走査レンズ
２３はＩ／Ｖ変換回路
２４はＡ／Ｄ変換回路
２５は光ファイバ
２６はレゾナントスキャナ
２７は光ファイバ
２８は制御測定部
２９は搬送系
３０は結像レンズ
３１はＰＳＤ

Claims

複数の波長を含む点光源と、軸上色収差を発生するレンズと、光を角度走査する光走査機と、対象物からの反射光を分けるビームスプリッタと、反射光を透過するピンホールまたはスリットまたは光ファイバと、ピンホールまたはスリットまたは光ファイバからの光を分光する分光器と分光された光の位置を検出するＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管とを具備することを特徴とする走査型形状計測機。