JPH0540035A

JPH0540035A - 非接触高さ計測装置

Info

Publication number: JPH0540035A
Application number: JP3199303A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ebita; 健一戎田; Hideyuki Kamioka; 秀行上岡; Yuji Ono; 裕司小野; Tomohiro Kimura; 知博木村; Eiji Okuda; 英二奥田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-08-08
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 1993-02-19
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JP3146538B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定対象物に照射した微小ビーム光の反射光
を用いて、測定対象物の高さを計る非接触高さ計測装置
に関し、高さを計測する時間をより高速化するととも
に、測定対象物の表面状態のむらによる測定誤差を少な
くして測定精度を向上させることを目的とする。【構成】光源１及び光学系２により測定対象物３に照
射されたビーム光の反射光を、ハーフミラー４で偏向し
たのちレンズ系５で集光する。レンズ系５を通過した反
射光はビームスプリッタ６により異なる方向に導かれ
る。これらの反射光は同じ大きさのしぼり７を通して、
光路長の互いに異なる位置に配置された光電変換素子８
に照射される。各光電変換素子８の出力値と光路長の関
係を近似して、出力値の最大となる光路長を検出するこ
とにより、測定対象物３の高さを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定対象物に微小ビー
ム光を照射し、その反射光を用いて測定対象物の高さを
測定することを特徴とする非接触高さ計測装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高さ計測には微小ビーム光を用い
た非接触方式がよく用いられている。以下に従来の技術
について説明する。図７は従来の非接触高さ計測装置の
原理を示すものである。図７において、１は微笑ビーム
光を発生するための光源である。２は測定対象物３の載
置された基板１１上に微小ビーム光をスポット照射する
ための光学系である。４は測定対象物３からの垂直方向
への反射光を偏向するハーフミラーである。５は偏向さ
れた前記反射光を集光するためのレンズ系である。８は
レンズ系５を通過後の反射光の光量を検出する光電変換
素子である。７は光電変換素子８に照射される反射光を
制限するしぼりである。１０はレンズ移動アクチュエー
タで、レンズ系５を光軸方向に移動させて、光電変換素
子８に照射される光量を変化させるものである。

【０００３】以上のように構成された非接触高さ計測装
置について、以下にその動作を説明する。まず、測定対
象物３に光源１及び光学系２から微小ビーム光をスポッ
ト照射し、そのスポット照射位置からの垂直方向への反
射光をハーフミラー４によりレンズ系５の方向に偏向す
る。そして、レンズ系５により集光された反射光をしぼ
り７で制限して、その光量を光電変換素子８で測定す
る。この際、反射光の焦点位置の光量は最大となること
を利用し、光電変換素子８の出力が最大となるようにレ
ンズ系５をレンズ移動アクチュエータ１０により光軸方
向に移動し、その時のレンズ系５の位置を知ることで測
定対象物３の高さが計測できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、光電変換素子の出力が最大となるように、
レンズ系５をレンズ移動アクチュエータ１０により移動
させなければならないために、測定に時間を要してしま
う。さらに、光電変換素子８を１つしか用いないため
に、測定対象物の表面状態のむらによる反射光の光量分
布のばらつきにより光量の最大値が正しく計測できず、
測定誤差が生じるという問題点を有していた。

【０００５】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、測定対象物の高さを高精度，高速に測定する計測装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の非接触高さ計測装置は、微笑ビーム光を発生
する光源と、前記微小ビーム光を測定対象物上に集光し
照射する光学系と、前記微小ビーム光が照射された前記
測定対象物からの反射光を集光するレンズ系と、前記レ
ンズ系により集光された前記反射光を順次異なる方向に
分光する複数の分光手段と、前記分光手段により分光さ
れたそれぞれの反射光の光路上において、前記測定対象
物からの光路長が互いに異なる位置に配置され、前記分
光後の反射光を受光して、受光量に応じて電気的出力に
変換する光電変換手段と、前記各光電変換手段に照射す
る光量を制限するよう、前記各光電変換手段の手前に配
置されたそれぞれ同じ大きさのしぼりとを有し、前記各
光電変換手段の電気的出力の比較において前記測定対象
物の高さを計測するものである。

【０００７】

【作用】上記構成によれば、得られた各光電変換手段の
出力から光電変換手段の出力が最大となる光路長を求め
ることで焦点距離がわかる。そのため、レンズ系を移動
させることなく高速に測定対象物の高さを計測できる。
さらに、複数の光電変換手段から光量と光路長の関係を
近似するため、測定対象物の表面状態のむらによる反射
光の光量分布のばらつきのために一部の光電変換素子の
出力に誤差が生じても、影響を受けることが少なくな
り、高精度に高さが計測できる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の第１の実施例について、図面を
参照しながら説明する。図１において、１は微小ビーム
光を発生するための光源、２は測定対象物３に前記微小
ビーム光をスポット照射するための光学系、４は測定対
象物３からの垂直方向への反射光を偏向するためのハー
フミラー、５はハーフミラー４により偏向された反射光
を集光するためのレンズ系、６はレンズ系５を通過後の
反射光を異なる方向に分光するためのビームスプリッ
タ、７は光量を同一の絞り量に制限するためのしぼり、
８はしぼり７を通過後の反射光の光量を検出するための
光電変換素子である。

【０００９】以上のように構成された非接触高さ計測装
置についてその動作を説明する。まず、光源１より発生
した微小ビーム光を、光学系２により測定対象物３にス
ポット照射し、そのスポット照射位置より垂直方向への
反射光をハーフミラー４によりレンズ系５の方向に偏向
しレンズ系５で集光する。そして、レンズ系５を通過後
の反射光を複数個のビームスプリッタ６にて順次異なる
方向に分光する。そして、しぼり７を通過後の分光後の
各反射光の光量を、前記測定対象物３からの光路長の異
なる位置ｌ₁〜ｌ₈に配置された光電変換素子８で検出す
る。

【００１０】そして、この光電変換素子８の出力値を反
射光が反射または通過するビームスプリッタ６の反射率
または透過率で減衰量を補正する。この補正値と光電変
換素子８の配置されている光路長ｌとの関係を求めるた
め、各測定値の補正値（ｐ１〜ｐ８）を最小自乗法等を
用いて曲線で近似すると図２のようになる。反射光の光
量は反射光の焦点位置で最大となるため、図２の近似曲
線から光電変換素子の補正出力値が最大となるとき（Ａ
点）の光路長ｌを求める。そして、この値とあらかじめ
設定しておいた測定対象物の高さに対応する光路長の値
とを比較することにより測定対象物３の高さを知ること
ができる。

【００１１】以上のように、本実施例によれば、レンズ
系をアクチュエータ等で移動させる必要がないため高速
で高さを測定できる。また、光電変換素子を複数個用い
ることにより、測定対象物の表面上体のむらによる反射
光の光量分布のばらつきの影響が小さくなり測定精度が
向上する。

【００１２】以下本発明の第２の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図３は第２の実施例における
非接触高さ計測装置の概略図である。図３において１は
微小ビーム光を発生するための光源、２は前記微小ビー
ム光を測定対象物３にスポット照射するための光学系、
４は測定対象物３のスポット照射位置からの垂直方向へ
の反射光を偏向するためのハーフミラー、５はハーフミ
ラー４により偏向された反射光を集光するためのレンズ
系、６はレンズ系５を通過後の反射光を第一および第二
の光路の２方向へ分光するためのビームスプリッタであ
る。９は反射光を偏向しかつ同一の絞り量に制限するた
めの絞り付き反射鏡であり、例えば図５に示すような、
それぞれしぼり部分の大きさの等しいハーフミラーが用
いられる。８は各絞り付き反射鏡９で反射後または各絞
り付き反射鏡９のしぼりを通過後の反射光の光量を検出
するための光電変換素子である。

【００１３】図中、第一の光路の焦点付近の反射光が収
束するＡ部では、絞り付き反射鏡９のしぼりを通過後の
光量を、第二の光路の焦点付近の反射光が拡大するＢ部
では、絞り付き反射鏡９による反射光の光量を測定でき
るように、絞り付き反射鏡９と光電変換素子８が配置さ
れている。この第一の光路のＡ部および第二の光路のＢ
部での絞り付き反射鏡９および光電変換素子８の配置に
ついて図４を用いてさらに詳しく説明する。まず、図４
（ａ）において、第一の光路のＡ部は焦点付近の反射光
が収束する光路であり、この光路上に絞り付き反射鏡９
A₁を配置する。そして、絞り付き反射鏡９A₁のしぼりを
通過した反射光を受光できるように光電変換素子８A₁を
配置する。続いて、絞り付き反射鏡９A₁により反射され
た反射光の光路上に絞り付き反射鏡９A₂を配置し、絞り
付き反射鏡９A₂のしぼりを通過した反射光を受光できる
ように光電変換素子８A₂を配置する。同様にこの絞りつ
き反射鏡と光電変換素子の組合わせの配置をｎ回繰り返
し、ｎ番目の絞り付き反射鏡９A_nを必ず焦点より後ろに
配置する。

【００１４】また、図４（ｂ）において、第二の光路の
Ｂ部は焦点付近の反射光が拡大する光路であり、この光
路上では焦点位置よりも前に必ずなるように、絞り付き
反射鏡９B₁を配置する。そして、絞り付き反射鏡９B₁に
より反射された光を受光できるように光電変換素子８B₁
を配置する。続いて、絞り付き反射鏡９B₁のしぼりを通
過した反射光の光路上にしぼり付き反射鏡９B₂を配置
し、絞り付き反射鏡９B₂により反射された反射光を受光
できるように光電変換素子８B₂を配置する。同様にこの
絞り付き反射鏡と光電変換素子の組合せの配置をｎ回繰
り返す。そして、絞り付き反射鏡９B_nのしぼりを通過し
た反射光を最後に受光する光電変換素子８B_n+1を配置す
る。

【００１５】以上のように構成された高さ計測装置につ
いて、光電変換素子８の出力値の処理方法について説明
をする。反射光の収束する第一の光路のＡ部では、絞り
付き反射鏡９のしぼりを通過後の光量を測定するため、
絞り付き反射鏡に照射される光像が反射鏡のしぼりより
小さくなり反射鏡面での反射がなくなると、それ以降に
位置する光電変換素子群の出力は０となる。この位置を
第一の光路のＡ部でｉ番目とする。同様に、第二の光路
のＢ部においても、絞り付き反射鏡９で偏向されず、光
電変換素子８の出力が０となるときの位置をｊ番目とす
る。第二の光路の反射光の拡大するＢ部においてｊ番目
より前の光電変換素子の出力値は無視して０とし、ｊ番
目以後の光電変換素子の出力値に対して補正を加える。
つまり、第一の光路のＡ部で光電変換素子の出力が０と
なる直前の光電変換素子の出力値（８A_i-1）を８Alas
t、第一の光路のＡ部での光電変換素子の出力値の合計
Σ８A _nを８Atotalとし、第二の光路のＢ部でのｋ番目
（ｊ≦ｋ≦ｎ＋１）の光電変換素子の出力値８B_kに次式
の補正を加え８B_k’とする。

【００１６】８Bｋ’＝８Bｋ×（８Atotal/８Alast）図６は光電変換素子の出力値と位置の関係を示したグラ
フである。この図について説明をする。横軸には、第一
の光路のＡ部に位置する光電変換素子８Alから８Ai-1に
対応する測定対象物３からの光路長（ｌAlからｌAi-1）
と、第二の光路Ｂ部に位置する光電変換素子８Bjから８
B_n+1に対応する光路長（ｌBjからｌB_n+1）とをとってい
る。縦軸には、横軸の第一の光路の光路長に対応する部
分では、光電変換素子の出力８A_nのｋ番目（１≦ｋ＜ｉ
−１）までの累積値Σ８Aｋをとっている。そして、横
軸の第二の光路長に対応する部分では、第一の光路Ａ部
における光電変換素子７の出力の合計値８Atotalから、
光電変換素子８B_k’のｋ番目（ｊ≦ｋ≦ｎ＋１）までの
累積値Σ８B_k’を引いた値（８Atotal−Σ８B_k’）をと
っている。

【００１７】これらの各測定点について、例えば最小自
乗法などで近似して、光路長と光量の関係を近似曲線で
表している。この近似曲線から、縦軸の光電変換素子出
力の累積値（光量）の最大値８maxとなる光路長ｌを求
める。この光路長が反射光の焦点距離となり、あらかじ
め設定しておいた光路長と測定対象物の高さとの関係か
ら測定対象物の高さを知ることができる。

【００１８】以上のように本実施例によれば、反射光の
光路上に複数の絞り付き反射鏡と光電変換素子を配置し
て光量を測定し、各測定点間を補間して光量が最大とな
る光路長を求めるため、レンズ系をアクチュエータ等で
移動させて焦点を検出する必要がなく、高速で高さを測
定できる。また、光電変換素子を複数個用いて、光量と
光路長の関係を近似しているため、測定対象物の表面状
態のむらによる反射光の光量分布のばらつきの影響が少
なくなり測定精度が向上する。

【００１９】なお、本実施例ではビームスプリッタ６の
前にレンズ系５を配置しているが、ビームスプリッタ６
の後にレンズ系５を配置しても差し支えないし、測定対
象物３とハーフミラー４の間にレンズ系５を配置しても
差し支えない。また、ハーフミラー４の代わりに穴あき
ミラーを用いても差し支えないことは言うまでもない。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、測定対象
物からの反射光の光路長が互いに異なる位置に複数の光
電変換素子を配置し、光電変換素子の出力から反射光の
光量と光路長との関係を近似して反射光の焦点位置を調
べることで、測定対象物の高さを高速に測定することが
できる優れた非接触高さ計測装置を実現することができ
る。さらに、測定対象物の表面状態のむらによる反射光
の光量分布のばらつきのために一部の光電変換素子の出
力に誤差が生じても、影響を受けることが少なくなり、
高精度に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における非接触高さ計測
装置の構成図

【図２】同実施例における光電変換素子出力の補正値と
光路長の関係を示す説明図

【図３】本発明の第２の実施例における非接触高さ計測
装置の構成図

【図４】（ａ）第一の光路のＡ部における絞り付き反射
鏡と光電変換素子の配置図（ｂ）第二の光路のＢ部における絞り付き反射鏡と光電
変換素子の配置図

【図５】同本実施例における絞り付き反射鏡の斜視図

【図６】同実施例における光電変換素子出力と光路長と
の関係図

【図７】従来の非接触高さ計測装置の構成図

【符号の説明】

１光源２光学系３測定対象物４ハーフミラー５レンズ系６ビームスプリッタ７しぼり８光電変換素子９絞り付き反射鏡１０レンズ移動アクチュエーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村知博香川県高松市寿町２丁目２番10号松下寿電子工業株式会社内 (72)発明者奥田英二香川県高松市寿町２丁目２番10号松下寿電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小ビーム光を発生する光源と、前記微小ビーム光を測定対象物上に集光し照射する光学
系と、前記微小ビーム光が照射された前記測定対象物からの反
射光を集光するレンズ系と、前記レンズ系により集光された前記反射光を順次異なる
方向に分光する複数の分光手段と、前記分光手段により分光されたそれぞれの反射光の光路
上において、前記測定対象物からの光路長が互いに異な
る位置に配置され、前記分光後の反射光を受光して、受
光量に応じて電気的出力に変換する光電変換手段と、前記各光電変換手段に照射する光量を制限するよう、前
記各光電変換手段の手前に配置されたそれぞれ同じ大き
さのしぼりとを有し、前記各光電変換手段の電気的出力の比較において前記測
定対象物の高さを計測することを特徴とする非接触高さ
計測装置。
【請求項２】微小ビーム光を発生する光源と、前記微小ビーム光を測定対象物上に集光し照射する光学
系と、前記測定対象物上の前記微小ビーム光の照射位置からの
反射光を集光するレンズ系と、前記レンズ系により集光された前記反射光を異なる光路
に分光する分光手段と、前記分光手段により分光された
一方の反射光の収束する光を順次異なる方向に偏向する
よう光路長の異なる位置に配置され、前記分光後の反射
光を偏向すると同時にその光量を制限する同じ大きさの
しぼりを備えた複数のしぼり手段と、前記各しぼり手段のしぼりを通過した光をそれぞれ受光
し、その受光量に応じた電気的出力に変換する第一の光
電変換手段と、前記分光手段により分光された他方の反射光の光軸上に
おいて、互いに光路長の異なる位置に配置され、その反
射光の光量を制限するしぼりを備えた複数の偏向手段
と、前記偏向手段により偏向された前記分光後の反射光と、
前記偏向手段のうち最後に配置された偏向手段のしぼり
を通過した光とをそれぞれ受光し、受光量に応じた電気
的出力に変換する第二の光電変換手段とを有し、前記各光電変換手段の電気的出力の比較において前記測
定対象物の高さを測定することを特徴とする非接触高さ
計測装置。
【請求項３】前記測定対象物上の前記微小ビーム光の照
射位置からの反射光を分光手段により分光した後に、分
光後の反射光をレンズ系により集光するようにしたこと
を特徴とする請求項２に記載の非接触高さ計測装置。