JPH05223527A - レーザ変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＩＣの半田フィレット等、方向および斜度の異
なる各種斜面部の高さを非接触で測定する。 【構成】ＸＹステージを有する測定台１と、レーザ光を
測定台１の真上から鉛直下方に投光する投光光学系２
と、測定物からの反射光を放物面鏡９、レンズ１１を介
して二分割センサ１２上に結像させる受光光学系８と、
放物面鏡９の位置を変え、二分割センサ１２の出力差が
反転した時における放物面鏡９の位置から高さを求める
信号処理回路１３より構成される。 【効果】方向、斜度の異なる各種斜面を広範囲に渡って
安定した高さ測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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
を測定するレーザ変位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来のレーザ変位計を説明する
斜視図である。図６のレーザ変位計は、一軸ステージを
有する測定台５０に配置された測定物５５であるＩＣに
投光する投光光学系および変斜光を受光する受光光学系
を備えている。

【０００３】この投光光学系は、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、拡大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する第１のレンズ５３と、レー
ザ光を反射させて測定台５０の真上から鉛直下方に投光
する反射ミラー５４とを有する。

【０００４】測定物５５からの反射光の一部は、測定台
５０の斜め上方に置かれた受光光学系の第２のレンズ５
７により集光され、第２のレンズ５７の焦点位置に置か
れた受光素子５９で受光される。

【０００５】図７は、測定物５５の高さ測定の原理を説
明するための側面図である。

【０００６】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傾いた方向で第２のレンズ５７を介して受光素子５
９で受光した場合、第２のレンズ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

【０００７】

【０００８】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。

【０００９】図８は、実際の測定物５５であるＩＣのリ
ード６５の半田付け部の高さ測定を説明する斜視図であ
る。第２のレンズ５７による受光では受光方向が１方向
かつ受光できる角度範囲も小さいため、図８（ａ）に示
すような前面フィレット６１については反射光６３の方
向がレンズ５７による受光方向６４に近い斜面部の測定
に限られ、図８（ｂ）に示すような側面フィレット６２
については反射光の方向６３′が受光方向６４に対して
大きくずれるため高さ測定は困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この従来のレーザ変位
計は、反射光の受光方向が一方向の小さい角度範囲に限
られているため、半田フィレットのように斜度の変化す
る斜面を３方向に有する物は、十分な反射光を受光でき
ず高さ測定は困難であるという問題点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ変位計
は、（Ａ）測定物を裁置する測定台と、（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
径を前記測定台の測定面上で所要のビーム径に収束する
第１のレンズとで構成されレーザ光を前記測定台の真上
から鉛直下方に投光する投光光学系と、（Ｃ）光軸が前
記測定台の測定面と平行かつ焦点が前記投光光学系によ
るレーザ投光線上にあるように前記測定台の斜め上方に
配置された放物面鏡と、前記放物面鏡を保持し鉛直方向
に上下移動させる移動機構と、前記放物面鏡と対応し光
軸が前記放物面鏡の光軸と平行となるように配置された
第２のレンズと、前記第２のレンズの焦点位置に置かれ
受光面の分割線がほぼ平行で前記第２のレンズの光軸を
通る二分割センサとで構成される受光光学系と、（Ｄ）
前記受光光学系の放物面鏡の上下位置を制御する放物面
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、前記作動増幅回路
の出力を所定のサンプリング時間で読み取り出力が反転
した時における前記放物面鏡の位置を前記放物面鏡位置
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
測定回路とで構成される信号処理回路とを備えている。

【００１２】本発明のレーザ変位計は、（Ａ）測定物を
裁置する測定台と、（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測定
面上で所要のビーム径に収束する第１のレンズと、で構
成されレーザ光を前記測定台の真上から鉛直下方に投光
する投光光学系と、（Ｃ）光軸が前記測定台の測定面と
平行かつ焦点が前記投光光学系によるレーザ投光線上に
あるように前記測定台の斜め上方に配置された放物面鏡
と、前記放物面鏡を保持し鉛直方向に上下移動させる移
動機構と、前記放物面鏡と対向し光軸が前記放物面鏡の
光軸と平行となるように配置された第２のレンズと、前
記第２のレンズの焦点位置に置かれ近光軸外の光を遮光
するピンホールを有するマクスと、前記第２のレンズの
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３のレンズと、前記第３のレンズの光軸上におか
れ平行光を再度集光する第４のレンズと、前記第４のレ
ンズの焦点位置におかれ光を受光する受光素子とで構成
される受光光学系と、（Ｄ）前記受光光学系の放物面鏡
の上下位置を制御する放物面鏡位置制御回路と、前記受
光光学系の受光素子の出力を所定のサンプリング時間で
読み取り出力が所定のレベルに達した時の前記放物面鏡
の位置を前記放物面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で構成される信号
処理回路とを備えている。

【００１３】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１４】図１は本発明の一実施例のレーザ変位計を
示す斜視図である。

【００１５】本実施例は、次の（Ａ）〜（Ｄ）から構成
される。

【００１６】（Ａ）測定物を裁置しＸＹステージを有す
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、ビーム拡大器４で拡大
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
に収束する第１のレンズ５と、第１のレンズ５を通過し
たレーザ光を測定台１の真上から鉛直下方に反射する反
射ミラー６とで構成される投光光学系２ （Ｃ）光軸が測定台１の測定面と平行かつ焦点が投光光
学系２によるレーザ投光線７上にあるように測定台１の
斜め上方に配置された放物面鏡９と、放物面鏡９を保持
し鉛直方向に上下移動させる移動機構１０と、放物面鏡
９と対向し光軸が放物面鏡９の光軸と平行となるように
配置された第２のレンズ１１と、第２のレンズ１１の焦
点位置におかれほぼ水平な方向の受光面の分割線が第２
のレンズ１１の光軸を通る二分割センサ１２とで構成さ
れる受光光学系８ （Ｄ）図２に示すように、受光光学系８の放物面鏡９の
上下位置を制御する放物面鏡位置制御回路１４と、二分
割センサ１２の２つの出力差を求める差動増幅回路１５
と、差動増幅回路１５の出力を所定のサンプリング時間
で読み取り出力が反転した時における放物面鏡９の位置
を放物面鏡位置制御回路１４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１６と、高さ測定回路１６
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１７とを備えた信号処理回路１３ 図３（ａ）、（ｂ）は、図１に示した受光光学系８にお
ける高さ測定原理を説明するための光路図である。

【００１７】同図（ａ）は、測定物２０の高さが放物面
鏡９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鏡９で反射し測定
台１の測定面と平行な反射光２３となって第２のレンズ
１１に入射し、第２のレンズ１１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。

【００１８】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
測定台１の測定面との平行光とならず下側に傾く。その
結果第２のレンズ１１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１２の出力は上側が大きくなる。

【００１９】以上の原理に基づき、各測定点で放物面鏡
９の高さを換え二分割センサ１２の出力差を読み取り、
出力が反転した時の放物面鏡９の位置から高さを求める
ことができる。

【００２０】図４は、測定物とするＩＣリード２４の接
合部の一例を示す斜視図である。

【００２１】フィレット形状によりレーザ光２２の反射
方向２７、２７′２７″が異なり、半田全面フィレット
２５は前方は、また半田側面フィレット２６は側面方向
へより側面方向へより多くの反射が起こり、またレーザ
光２２の入射方向に対する位相角もフィレットの射度に
より大きく異なる。

【００２２】図５は、図１に示した放物面鏡９の特徴を
表すための斜視図である。測定点２８に対して水平方向
に約１８０°、垂直方向に約９０°の広い範囲で散乱光
をとらえることができるため、図４に示したような各種
半田フィレットによりレーザ光の広範囲な反射方向に対
しても安定して高さ測定できる。

【００２３】図９は本発明の他の実施例のレーザ変位計
を示す斜視図である。

【００２４】本実施例は、次の（Ａ）〜（Ｄ）から構成
される。

【００２５】（Ａ）測定物を裁置しＸＹステージを有す
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、ビーム拡大器４で拡大
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
に収束する第１のレンズ５と、第１のレンズ５を通過し
たレーザ光を測定台１の真上から鉛直下方に反射する反
射ミラー６とで構成される投光光学系２ （Ｃ）光軸が測定台１の測定面と平行かつ焦点が投光光
学系２によるレーザ投光線７上にあるように測定台１の
斜め上方に配置された放物面鏡９と、放物面鏡９を保持
し鉛直方向に上下移動させる移動機構１０と、放物面鏡
９と対向し光軸が放物面鏡９の光軸と平行となるように
配置された第２のレンズ１１と、第２のレンズ１１の焦
点位置におかれ近光軸外の光を遮光するピンホールを有
するマスク３１と、第２のレンズ１１の光軸上におかれ
マスク３１を通過した光を再度平行光にする第３のレン
ズ３２と、第３のレンズ３２の光軸上に置かれ平行光を
再度集光する第４のレンズ３３と、第４のレンズ３３の
光軸上におかれ光を受光する受光素子３４とで構成され
る受光光学系３０ （Ｄ）図１０に示すように、受光光学系３０の放物面鏡
９の上下位置を制御する放物面鏡位置制御回路３６と、
受光素子３４の出力を所定のサンプリング時間で読み取
り出力が所定のレベルに達した時に放物面鏡９の位置を
放物面鏡位置制御回路３６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３７と、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。

【００２６】図１１（ａ）、（ｂ）は、図９に示した受
光光学系８により高さ測定原理を説明するための光路図
である。

【００２７】同図（ａ）は、測定物２０の高さが放物面
鏡９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鏡９で反射し測定台の
測定面に平行な反射光２３となって第２のレンズ１１に
入射し第２のレンズ１１の光軸上に焦点を結ぶためマス
ク１２で遮光されずに通過できる。

【００２８】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
測定台１の測定面との平行光とならず下側に傾く。その
結果、第２のレンズ１１を通過した光は光軸の下側で結
像しマスク１２で遮光される。また、測定物が焦点位置
より低い場合は光軸の上側で結像し同様に遮光される。

【００２９】以上の原理に基づき、各測定点で放物面鏡
の高さを変え、受光素子への入斜光量が所定のレベルに
達した時の放物面鏡の位置を読み取ることにより高さを
測定できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、放物面鏡
を用い、放物面鏡の焦点位置とほぼ一致する高さの領域
のみ反射光を判別できる光学系となっているため放物面
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、方
向、斜度の異なる各種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１３のブロ
ック図である。

【図３】図１に示した実施例の測定原理を説明するため
の光路図である。

【図４】ＩＣ半田フィレット部の斜視図である。

【図５】図１に示した放物面鏡９の特徴を表すための斜
視図である。

【図６】従来のレーザ変位計を示す斜視図である。

【図７】図６に示した従来のレーザ変位計の測定原理を
説明するための側面図である。

【図８】図６に示した従来のレーザ変位計によりＩＣの
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９】本発明の他の実施例の斜視図である。

【図１０】図９に示した実施例の信号処理回路３５のブ
ロック図である。

【図１１】図９に示した実施例の測定原理を説明するた
めの光路図である。

【符号の説明】

１，５０ 測定台 ２ 投光光学系 ３，５１ レーザ ４，５２ ビーム拡大器 ５，５３ 第１のレンズ ６，５４ 反射ミラー ７ レーザ投光線 ８ 受光光学系 ９ 放物面鏡 １０ 移動機構 １１，５７ 第２のレンズ １２ 二分割センサ １３ 信号処理回路 １４ 放物面鏡位置制御回路 １５ 作動増幅回路 １６ 高さ測定回路 １７ ステージ制御回路 ２０，５５ 測定物 ２１ 焦点位置 ２２，６０ レーザ光 ２３，２３′，６２，６２′ 反射光 ２４ リード ２５ 半田全面フィレット ２６ 半田側面フィレット ２７，２７′，２７″ 反射方向 ３０ 受光光学系 ３１ マスク ３２ 第３のレンズ ３３ 第４のレンズ ３４ 受光素子 ３５ 信号処理回路 ３６ 放物面鏡位置制御回路 ３７ 高さ測定回路 ３８ ステーザ制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）測定物を裁置する測定台と、 （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
   されたレーザ径を前記測定台の測定面上で所要のビーム
   径に収束する第１のレンズとで構成されレーザ光を前記
   測定台の真上から鉛直下方に投光する投光光学系と、 （Ｃ）光軸が前記測定台の測定面と平行かつ焦点が前記
   投光光学系によるレーザ投光線上にあるように前記測定
   台の斜め上方に配置された放物面鏡と、前記放物面鏡を
   保持し鉛直方向に上下移動させる移動機構と、前記放物
   面鏡と対応し光軸が前記放物面鏡の光軸と平行となるよ
   うに配置された第２のレンズと、前記第２のレンズの焦
   点位置に置かれ受光面の分割線がほぼ平行で前記第２の
   レンズの光軸を通る二分割センサとで構成される受光光
   学系と、 （Ｄ）前記受光光学系の放物面鏡の上下位置を制御する
   放物面鏡位置制御回路と、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、前記作動増
   幅回路の出力を所定のサンプリング時間で読み取り出力
   が反転した時における前記放物面鏡の位置を前記放物面
   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
   ことを特徴とするレーザ変位計。
2. 【請求項２】 （Ａ）測定物を裁置する測定台と、 （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測定面上で所要のビーム
   径に収束する第１のレンズとで構成されレーザ光を前記
   測定台の真上から鉛直下方に投光する投光光学系と、 （Ｃ）光軸が前記測定台の測定面と平行かつ焦点が前記
   投光光学系によるレーザ投光線上にあるように前記測定
   台の斜め上方に配置された放物面鏡と、前記放物面鏡を
   保持し鉛直方向に上下移動させる移動機構と、前記放物
   面鏡と対向し光軸が前記放物面鏡の光軸と平行となるよ
   うに配置された第２のレンズと、前記第２のレンズの焦
   点位置に置かれ近光軸外の光を遮光するピンホールを有
   するマクスと、前記第２の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３のレンズ
   と、前記第３のレンズの光軸上におかれ平行光を再度集
   光する第４のレンズと、前記第４のレンズの焦点位置に
   おかれ光を受光する受光素子とで構成される受光光学系
   と、 （Ｄ）前記受光光学系の放物面鏡の上下位置を制御する
   放物面鏡位置制御回路と、前記受光光学系の受光素子の
   出力を所定のサンプリング時間で読み取り出力が所定の
   レベルに達した時の前記放物面鏡の位置を前記放物面鏡
   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
   とを特徴とするレーザ変位計。