JPH06331319A

JPH06331319A - 光学式高さ測定装置

Info

Publication number: JPH06331319A
Application number: JP6094380A
Authority: JP
Inventors: Joseph L Horijon; ルイスホレイオンヨセフ; Christiaan H F Velzel; ヘンドリックフランスフェルツェルクリスチャン; Cornelis S Kooijman; サンダークーエイマンコルネリス
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1994-12-02
Also published as: US5512760A; IL109525A0; IL109525A

Abstract

(57)【要約】【目的】広い高さ範囲に亘って高分解で物体の表面の
高さを測定できる光学式高さ測定装置を提供する。【構成】軸（４）に沿う表面（２５）の高さを、この
表面と軸（４）とが交差する部分に形成される照明スポ
ット（３１）の軸方向の位置を測定することにより決定
する。表面で反射しレンズ（８）によって集光された放
射は軸（４）上に像スポットを形成する。像スポットの
位置は検出ユニット（３５）により軸方向に沿う少なく
とも３個の位置における放射の強度を測定することによ
り決定される。検出ユニットの出力信号（４４，４
４′）を電子手段（４３）において処理し最大放射強度
の位置を決定すると共に振幅が像スポット（３２）すな
わち照明スポット（３１）の軸方向位置を表わす信号
（４３′）を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体表面の高さを光学
的に測定する装置であって、予め定めたビーム軸に沿っ
て伝播し物体の表面上に照明スポットを形成する放射源
と、前記照明スポットからの放射を放射ビームに集束さ
せる結像光学系とを具え、前記放射ビームが結像光学系
の像空間において前記ビーム軸上に像スポットを形成す
る光学式高さ測定装置に関するものである。

【０００２】上述した型式の光学式高さ測定装置は、例
えば、表面が所望の輪郭を有しているか否か或は平坦な
面が実際に平坦である又は溝や突部を有しているか否か
を検査するために用いられる。この光学式高さ測定装置
は開口又は突起部が基板上の正確な位置に形成されてい
るか否かを検査するためにも使用でき、さらに例えば導
体の金属細条及び電子部品が形成されている電気的絶縁
性プレートを具える電子回路の検査にも利用することが
できる。さらに、この光学式高さ測定装置は焦点検出に
も用いることができる。

【０００３】

【従来の技術】冒頭部で述べた光学式高さ測定装置は、
１９７２年７月に発行された刊行物「ＩＢＭテクニカル
ディスクロージャバルテン」第１５巻 No2 ．に記
載の文献“オプティカルサーフェィスマイクロトポ
グラフィメジャメントアンド／オアオーマティッ
クフォーカシング（Optical Surface Microtopograph
y Measuremet and/or Automatic Focussing)”から既知
である。この既知の装置では、レーザビームがレンズ系
により集束されて物体の表面上に照明スポットを形成し
ている。表面で反射した放射の一部はレンズ系に入射
し、次にビームスプリッタによりレーザビームの光路外
に向けて反射される。そして、反射した放射ビームから
別のビームスプリッタにより２本のサブビームが形成さ
れる。各サブビームは集束して照明スポットの像が形成
される。このサブビームの放射は、サブビームの軸上で
検出器の放射感知面の前面に配置されたピンホール絞り
を用いて検出器により測定される。一方のサブビーム中
においてピンホールはサブビームによって形成される像
の前側に配置され、他方のサブビーム中のピンホールは
像の後側に配置されている。２個の検出器の出力信号は
差動増幅器に供給される。差動増幅器の出力信号が零の
場合、両方の検出器が等しい量の放射を受光し、従って
２個の像は各ピンホールに対して等距離にあることにな
る。すなわち、像スポットの焦点すなわち最高強度位置
は２個のピンホール間の中間に位置する。表面の高さが
変化すると、照明スポットの位置も変化し、これにより
像スポットの位置が変化することになる。この場合、変
位した像スポットにより接近したピンホールには、別の
ピンホールよりも多くの放射が入射し、２個の検出器の
出力信号が相異し差動増幅器の出力が零から偏位する。
従って、差動増幅器の出力信号は測定されるべき表面の
高さの目安となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した既知の装置に
よって高さ測定できる範囲は２個のピンホール間の軸方
向距離によって決定される。従って、２個の検出器の距
離が長い場合より広い範囲に亘って高さ測定することが
でき、距離が短い場合測定範囲が狭くなってしまう。一
方、この高さ測定の分解能は、測定される高さの範囲に
反比例する。従って、測定される高さの範囲が小さい場
合比較的高い分解能で測定することができ、測定範囲が
大きい場合分解能は低下してしまう。従って、既知の光
学式高さ測定装置の欠点は、広い高さ範囲に亘って高分
解能で測定できないことにある。

【０００５】従って、本発明の目的は、広い高さ範囲に
亘って高分解能で高さ測定できる光学式高さ測定装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段並びに作用】本発明による
光学式高さ測定装置は、冒頭部で述べた光学式高さ測定
装置において、前記結像光学系の像空間に配置され、ビ
ーム軸に沿う少なくとも３個の位置で前記放射ビームか
らの放射を受光し、受光した放射を電気信号に変換する
検出ユニットと、前記電気信号から、前記少なくとも３
個の位置のうち最大量の放射を受光した位置を決定し、
決定した位置を前記照明スポットの位置において物体表
面の高さと関係付ける電子手段とを具えることを特徴と
する。

【０００７】本発明では、測定される高さの範囲は放射
が入射する最外位置間の距離によって決定され、分解能
は検出器ユニットの検出位置の数によって決定される。
従って、測定される高さの範囲と分解能とは互いに独立
して決定することができる。高分解能で広い高さ範囲で
測定できる装置とするには、多数の測定位置に検出ユニ
ットを設けることができ、最外位置間の距離をより長く
することができる。像スポットの位置である最大強度の
位置は、検出ユニットの出力信号から電子手段により決
定される。この位置は照明スポットの位置すなわち結像
光学系の倍率を介して測定表面の高さと関係する。結像
光学系は１又はそれ以上のレンズ及び／又は湾曲したミ
ラーで構成できる。

【０００８】本発明による光学式高さ測定装置の検出ユ
ニットのサブユニット及び関連する電子手段には２個の
好適実施例がある。第１の実施例は、前記検出ユニット
が少なくとも３個の個別の検出器を具え、各検出器が大
きさが入射した放射ビームの放射の量と関係する電気信
号を発生する出力部をそれぞれ有し、前記電子手段を、
前記出力部に接続され、最大放射量を受光する検出器を
決定する電子回路とし、前記検出器の位置がビーム軸に
沿う像スポットの最大強度の位置と関係することを特徴
とする。電子手段が最大量の放射を受光する検出器を決
定するだけでなく検出器間を補間する場合、隣接する検
出器間の距離の一部に等しい分解能で最大強度位置を決
定することができ、この結果光学式高さ測定装置の分解
能をさらに改善することができる。別個の検出器を１個
の素子として集積化した検出器アレイを用いれば、検出
器の相互間距離が知られ、ビーム軸に沿う位置に対応す
る最大量の放射が入射する実際の検出器から一層正確に
像スポットの位置を決定することができる。

【０００９】第２の好適実施例は、前記検出ユニットを
位置感知検出器で構成し、その放射感知面を前記ビーム
軸に平行にし、この位置感知検出器がその放射感知面の
互いに対向する位置に配置した少なくとも１対の出力部
を有し、前記電子手段が除算回路を具え、その入力部を
前記位置感知検出器の出力部に接続して、大きさが像ス
ポットの最大強度の位置の目安となる信号を発生するよ
うに構成したことを特徴とする。位置感知検出器は無限
数の並列配置した検出器の集合とみなすことができ、像
スポットの位置を高分解能で且つ高速に測定することが
でる。これらの２個の実施例は、本発明のと各実施例に
おいて有効に用いることができる。

【００１０】位置感知検出器を有する測定表面の高さを
光学的に測定する装置は、欧州特許出願公開第４３７８
８３号公報から既知である。この位置感知検出器は、三
角法に基いて高さを測定するために用いられる。つま
り、この検出器はビーム軸に平行な放射感知面を有して
いない。また、三角法は、観察方向と照明方向との間で
角度を必要とする。この結果、測定表面の急激な領斜に
よって陰が生じてしまい、例えば測定されるべき基板上
に形成されている電子部品によっで測定上の問題が生じ
てしまう。この問題は、測定表面に対する照明及び観察
を同一の光軸に沿って行なう場合には何んら生じない。

【００１１】検出器列をビーム軸に沿って放射感知面に
ビーム軸と直交するように配置すると、後側の検出器に
入射する予定の放射の一部が前側に位置する検出器に入
射してしまう。一方、検出器列をビーム軸に沿って放射
感知面がビーム軸に平行になるように配置すると、放射
を遮光する問題は低減するが、放射感知面への放射の入
射角が大きくなるため検出効率が低下するおそれがあ
る。本発明では、遮光の問題が減少し高い入射効率が得
られ、ビーム軸からの放射をビーム軸から離れた位置に
適切にガイドされ、検出器ユニットの配置の自由度がよ
り高くなる。放射は、ビーム軸の像が検出器上に形成さ
れるようにガイドする必要がある。このようなガイドを
有する実施例は２個の型式に分類することができる。

【００１２】第１の型式の光学式高さ測定装置の実施例
は、ビーム軸に沿って位置決めされた放射ビームからの
放射を検出ユニットに向けて反射する一連の反射器を具
える。これらの反射器は個別の検出器よりもより小さく
することができ、ビーム軸の周囲の放射の遮光が減少す
る。さらに、反射器とその周囲の媒体との間における透
過係数を適切に選択することにより、放射ビームの断面
に亘って均一な減衰が得られ、後側に位置する検出器の
応答性を改善することができる。

【００１３】第１の型式の光学式高さ測定装置の格別な
実施例は、前記反射器の数に対応した数の透明プレート
有し、各透明プレートが前記放射ビームの光路中に配置
され、各透明プレートがその表面の一部に形成された反
射器を有し、この表面部分で反射した放射が透明プレー
ト内での内部反射によって検出ユニットと対向する出射
面まで伝播するように構成したことを特徴とする。各プ
レートは反射器及び光ガイドの両方の機能を有する。回
折されたビームの方向は反射の法則及び回折の法則によ
って与えられるので、プレートの向きについての自由度
が一層大きくなる。好ましくは、反射器を回折格子で構
成する。回折格子に適切なブレーズ処理を施すと、回折
格子によって反射された放射の大部分が検出器に向けて
反射する。

【００１４】第２の型式の光学式高さ測定装置は、各々
がビーム軸上に位置する入射面及び検出ユニットと対向
する出射面を有する一連の光ファイバを有する。小径の
光ファイバは、対応して微小量の放射を受光する。各フ
ァイバの軸線がファイバの入射面に入射する光線の平均
入射方向にほぼ等しくなるように光ファイバを配向させ
ることにより、放射はほぼ光ファイバの軸線に沿って光
ファイバの開口数内で入射し、入射面における反射損失
が最小になる。好ましくは、光ファイバによりファイバ
プレートを構成する。これにより、容易に整列されると
共に光ファイバを高密度で良好に相互整列した素子が得
られる。

【００１５】第２の型式の好適実施例は、入射面及び出
射面を有する透明体を前記放射ビームの光路中に配置
し、前記出射面が前記ビーム軸を含み、前記放射ビーム
が前記入射面から透明体に入射し、前記光ファイバの入
射面を前記出射面に光学的に結合し、前記透明体の屈折
率を前記光ファイバのコアの屈折率にほぼ等しくしたこ
とを特徴とする。像スポットが形成される空間の一部を
光ファイバのコアの屈折率と同一の屈折率を有する材料
で満たすことにより、放射ビーム中の大部分の放射が光
ファイバに結合され、ファイバの入射面での反射による
損失が減少する。

【００１６】好ましくは、透明体の入射面の曲率を入射
面における放射ビームの波面の曲率にほぼ等しくする。
波面の曲率は、全測定範囲で生ずる全ての波面の曲率の
平均値とすることが好ましい。入射面の形状をこのよう
に設定することにより、放射が透明体に入射する際波面
が歪まない利点が達成される。この理由は、波面が歪む
と像スポットに収差が生じ高さ測定が不正確になってし
まうからである。

【００１７】第２の型式の光学式高さ測定装置におい
て、光ファイバの入射面によって形成される面のファイ
バ側に位置する放射ビームの全ての放射は、光ファイバ
のクラッド部に入射する。ミラーを像空間に配置すれ
ば、クラッド部で反射した放射はビーム軸の鏡像を形成
するので、この放射を有効に利用することができる。ビ
ーム軸の鏡像に沿って別の検出ユニットを配置して、第
１の検出ユニットの測定を補強することができる。

【００１８】一連の個別の検出器又は一連の反射器又は
光ファイバを用いることによって得られる高さ測定の分
解能はこれら素子間の軸方向距離によって制限される。
この制限を克服するため、本発明の光学式高さ測定装置
の特別な実施例は、前記結像光学系の像空間に配置され
前記放射ビームを一連のサブビームに分割するホログラ
ムを有し、各サブビームがそれぞれサブ軸を有すると共
にサブ像スポットをそれぞれ形成し、これらサブ像スポ
ットが前記ビーム軸と直交する方向及び平行な方向に互
いに変位し、少なくとも１個の検出器を各サブ軸上に配
置したことを特徴とする。放射ビームをサブビームに分
割すると、同一の素子を用いて一層高い分解能を得るこ
とができる。測定範囲を増大するため、各検出器を検出
ユニットで置換することができる。この検出ユニットは
サブビームに沿う同一軸方向位置に配置するが、サブ像
スポットは異なる軸方向位置を有するので、これらサブ
像スポットは素子間の軸方向距離を分割することにな
る。検出ユニットの出力を結合して、第一の検出ユニッ
トを用いて得られる分解能よりも一層高い分解能で物体
の高さを測定することができる。

【００１９】上述した制限を解消する別の実施例は、前
記放射ビームから一連のサブビームを形成するホログラ
ムを有し、各サブビームがそれぞれサブ軸を有すると共
にサブ像スポットをそれぞれ形成し、これらサブ像スホ
ットが前記ビーム軸と直交する方向に互いに変位し、各
サブ軸上に少なくとも１個の検出器を配置し、これら検
出器がビーム軸に平行な方向に互いに異なる位置を占め
ることを特徴とする。サブ像スポットは同一の軸方向位
置を有し、各サブ軸に沿って配置した検出ユニットは異
なる軸方向位置を有する。

【００２０】ホログラムを有する光学式高さ測定装置
は、前記サブビームの光路の前記ホログラムと検出器と
の間に別のレンズを配置し、前記ホログラムが前記別の
レンズの焦点面に位置することを特徴とする。この場
合、サブ軸は互いに平行であり、サブ軸に沿う検出ユニ
ットの型式が一層容易になる。

【００２１】

【実施例】図１は物体３の表面２の軸方向の高さを光学
的に測定する本発明の装置１を示す。この高さ測定装置
は例えば発散性の照明ビーム６を放出するレーザダイオ
ードのような放射源５を具える。例えばハーフミラー７
のようなビームスプリッタにより照明ビームを結像光学
系８に向けて反射し、この結像光学系により照明ビーム
を軸４上のスポットに集束させる。結像光学系は単レン
ズ８として図示したが、多重レンズ系又は１個又はそれ
以上のミラーを有する反射光学系で構成するこもでき
る。結像光学系に入射する照明ビーム１０のビーム軸は
軸４と一致させる。好ましくは、図１に示すように結像
光学系の光軸も軸４に一致させて結像光学系の収差を減
少させる。上述した素子５，６，７，８を有する照明光
学系は、論理的に平坦な面特に反射面の高さを測定する
のに好適である。照明ビームは表面２上に照明スポット
１１を形成し、表面２に関して点９と鏡像関係にある集
束点９′に向かう放射は表面２により反射する。表面２
が理論的に平坦な場合、集束点９′はほぼ軸４上に位置
する。レンズ８により集束性放射ビーム１２が形成さ
れ、この放射ビームはレンズ８の像空間に像スポット１
３として集束する。像スポット１３はほぼ軸４上に位置
する。

【００２２】物体３が高さ測定装置１に対して変位する
と、照明スポットの軸４に沿う高さが変化し、この結果
集束点９′の位置が変化し、従って軸４に沿う像スポッ
ト１３の位置が変化する。表面２の軸４との交差点が反
射の法則により集束点９′の位置を決定するので、集束
点９′の位置がレンズ８の倍率に基いて像スポット１３
の位置を決定する。従って、表面２の位置は像スポット
１３の位置から決定することができる。

【００２３】像スポットの位置は軸４方向に沿う放射ス
ポットの測定値から取り出すことができる。図２は像ス
ポット１３付近の軸４に沿う強度分布を示す。最も高い
強度を有する点ｘ_oは像スポットの位置として規定され
る。点ｘ_oについて高精度な測定を行なうためはに、軸
４に沿う多数の点について放射強度測定を行なう必要が
ある。この測定では、強度分布のＦＷＨＭ内の少なくと
も３個の位置において放射強度測定を行なう必要があ
る。ここで、ＦＷＨＭは放射分布の半値幅（fuII−widt
h-half-Maimum)であり、点ｘ₀の放射強度放の半分の強
度値の点ｘ₁とｘ₂との間の距離を意味する。一般に、
ＦＷＨＭは、像空間で測定した結像光学系８の約 3.5の
焦点深度である。この焦点深度はλ／ＮＡ²に等しく、
λは放射の波長でありＮＡは像空間における開口数であ
る。従って、像スポットの位置を正確に測定するために
は、測定位置間の間隔は焦点深度以下にする必要があ
る。

【００２４】像スポット１３の位置を測定するため、一
連の小さな反射器１４を光軸４上に配置する。尚、図１
において６個の反射器を図示する。光軸方向の反射器の
位置は図２の水平軸に沿う測定位置ｘに対応する。各反
射器は入射する放射の少なくとも一部をレンズ１５に向
けて反射し、このレンズ５により反射器の像を検出ユニ
ット１６上に形成する。実際には、レンズ１５は光軸４
を検出ユニット上に結像し、光軸４に沿う位置と検出ユ
ニットの放射感知面１７に沿う位置との間で１：１の関
係を与える。尚、図面を明瞭にするため、図１において
は反射器１４のうちの１個の反射器で反射したビームだ
けを示す。

【００２５】図１に示す検出ユニット１６は分離配置し
た一連の検出器１８を有し、各検出器はレンズ１５の結
像特性により反射器１４のうちの１個の反射器とそれぞ
れ対応する。反射器の数よりも多数又は少数の検出器を
具えることも可能であり、この場合の位置測定の分解能
は２個の検出器間の最小距離によって決定される。離散
配置した検出器は、極めて近接して配置した検出器のア
レイとして一体化することができ、この場合高い分解能
が得られる。検出器の出力信号２０は電子回路１９に送
られ、この電子回路において検出器の出力信号を大きさ
が像スポットの光軸方向の位置と関係する電気的高さ信
号に変換する。出力信号２０は検出器の数に等しい数の
接続部を介して並列に送り出すことができ、又は単一の
接続部を経て直列にすなわち時間順次で送出することが
できる。この選択は検出ユニットの型式及び所望の測定
速度に応じて定められる。

【００２６】電子回路１９は、最も大きな信号を発生す
る検出器を決定するため少なくとも１個の比較器を有す
る。従って、最大の信号を発生する検出器には放射の大
部分が入射し、像スポットの位置に接近した位置に存在
することになる。検出器１８の間隔よりも高い分解能を
希望する場合、検出器間の間隔の一部に等しい分解能を
得るための補間器を用いる必要がある。この補間器によ
り、隣接する検出器の信号値を決定することにより又は
全ての検出器の信号値を通る曲線を求めてこの曲線から
最大強度の位置を決定することができる。一般的に、一
層高い分解能を得ようとする場合付加的な計算が必要で
あり、この場合装置の測定速度が遅くなってしまう。

【００２７】図３に物体２６の表面２５の高さを測定す
る装置の別の実施例を示す。この測定装置は平行照明ビ
ーム２８を放出する放射源２７を有し、放出されたビー
ム２８は小型のミラー２９で反射した後、軸１４に沿う
表面２５に入射する照明ビーム３０を形成する。この素
子２７及び２９を有する照明光源は拡散性反射面の高さ
を測定するのに好適である。照明ビーム３０は微小な照
明スポット３１を表面２５上に形成する。尚、ミラー２
９はレンズ８の反対側に配置することもできる。照明ビ
ーム３０は８によって集束され、これにより照明スポッ
ト３１の径が小さくなり、測定装置の解像度が増加す
る。レンズ８には照明スポットから拡散性の反射放射が
入射し、このレンズ８により軸４上に照明スポット３１
の像スポットが形成される。照明スポット３１の位置に
おける表面２５の高さの変化により軸４に沿う照明スポ
ット３１の位置が変化し、これにより像スポット３２の
位置も変化する。照明スポットと像スポットとの間の関
係はレンズ８の倍率により固定される。図１に示す素子
５，６，７，８を有する照明光学系と図３に示す素子２
７，２９を有する照明光学系とは相互に交換することが
できる。

【００２８】像スポット３２の位置を測定するため、透
明な平行平面板の積層体３３を軸４に沿って配置する。
各平行平面板の軸４と交差する面の一部は反射器３４を
構成し、この反射器により入射する放射の一部を平行平
面板３３の積層体の側端に装着した検出器ユニット３５
に向けて反射する。反射した放射は、図面上述したジグ
ザグライン３６により図示したように平行平面板の各面
での内部反射により伝播する。

【００２９】各平行平面板３３の２個の面には、反射器
３４として作用する一方の面の微小部分を除いて反射防
止膜をコートする。例えばガラスのような平行平面板の
透明媒体から空気への伝播により、約４％の反射が生ず
る。ガラスから空気へ伝播させるため、各平行平面板は
軸方向に沿って僅かな距離だけ離間させる（図３には図
示していない）。反射器３４の周囲の反射防止膜が入射
した放射の４％を吸収する場合、この平行平面板はレン
ズ８の像空間において放射ビーム３７をそのビームのビ
ーム断面に亘って減衰させる。この場合、像スポットの
品質すなわち軸４方向における強度分布の鮮明度は、レ
ンズ８と像スポットとの間の平行平面板３３によって影
響を受けない。各平行平面板３３の内部における検出ユ
ニットへの伝播は、図４ａに示すように、反射器３４に
ブレーズ処理した回折格子３９を形成することにより改
善することができる。この回折格子により入射した放射
の大部分が透過し、光線４１で図示したように、入射放
射の僅かな部分がある回折格子次数で反射する。回折光
と入射光との間の角度は、回折の角度増大効果により単
なる反射面とした場合よりも一層大きくなる。この角度
が適切に大きくなると、回折格子で反射したビームは平
行平面板の面で内部全反射し、この結果透過損失が減少
する。

【００３０】図３に示す装置に、図１に示す個別の検出
器及び関連する電子手段１９を有する検出ユニット１６
を設けることができる。或は、図３に示すように、線形
な位置感知検出器３５を有する検出ユニットを用いるこ
ともできる。この検出器は伸長状の放射感知面４２を有
し、放射感知面の各端部にそれぞれ出力電気信号４４及
び４４′用の出力部を設ける。放射感知面に入射する放
射の位置が一方の出力部に接近すると、この出力部には
一層強い電気信号が発生する。つまり、位置感知検出器
の一方の出力信号の他方の出力信号に対する比及びこれ
ら出力信号の和は放射感知面上の放射分布の平均値の位
置の目安となる。除算回路を有する電子手段４３を検出
ユニット３５の出力部４４，４４′に接続する。除算回
路の出力信号４３′により、振幅が放射分布の平均強度
位置の目安となる信号が与えられる。この平均強度位置
は最大放射強度の位置に直接的に対応する。より高い精
度が望まれる場合、放射の平均強度位置と最高強度位置
との間の不一致を強度分布の形状について除算回路の出
力を補正することにより除去する必要がある。各平行平
面板３３の９６％の透過率による放射ビームの減衰につ
いて補正する必要もある。最大強度の位置、すなわち像
スポット３２の位置は、図１に示す装置と同一の方法に
より照明スポット３１の位置における表面２５の高さと
関係付けることができる。

【００３１】最大強度の位置測定は、検出器に入射する
迷光により悪影響を受けてしまう。この迷光は測定装置
の内部及び外部から発生する。装置外部の迷光の発生源
は照明スポット３１の外側の表面２５の位置にあり、こ
の表面２５の位置で放射がレンズ８に向けて反射する。
このような位置からの放射は軸４から離れた位置に像ス
ポットを形成し、検出器上に不鮮明なスポットを形成す
る。図４ｂに示すように迷光の影響は検出器上に伸長状
スリット２３に入射した放射だけを通過させるマスク２
２を配置することにより減少させることができる。この
スリットの長手軸は検出器上の光軸の像と一致する。照
明ビーム３０がビーム集束部を有する集束性ビームの場
合、スリットは像スポットの大きさに適合した変化する
幅を有することができる。このマスクは両方の型式の検
出ユニットについても同様に用いることができる。

【００３２】図５は高さ測定装置の第２の型式の実施例
を示し、本例では光ファイバによりビーム軸から検出ユ
ニットまで放射をガイドする。この測定装置の照明光学
系は、素子５，７，８を有する図１の装置又は素子２
７，２９を有する図２の照明光学系に等しくすることが
できる。測定されるべき表面で反射しレンズ８によって
集光された放射はレンズ８の像空間において集束性放射
ビーム３７として集束し軸４上に像スポット４５を形成
する。像空間に透明体４６を配置し、軸４をこの透明体
の平坦な出射面４７上に位置させる。放射ビーム３７が
透明体に入射する入射面４８′は入射面における放射ビ
ームの波面の曲率に等しい曲率を有し、この入射面によ
りビームに収差が生ずるのを防止する。入射面４８′は
透明体４６の一部を構成する平−凸レンズ４８によって
構成することができる。

【００３３】軸４の一部はファイバプレート５０により
検出ユニット４９上に結像され、ファイバプレート５０
の斜めの側は出射面４７に光学的に結合しその反射側は
検出ユニットと対向する。ファイバプレートの光ファイ
バは、これら光ファイバに入射した放射が最適になるよ
うな向きで軸５１と平行に延在する。図５ｂは、コア５
２とクラッド層５３とを有するファイバプレートの単一
の光ファイバを示す。光ファイバの出射面５４は検出ユ
ニットと対向し、斜めの入射面５５は透明体４６の出射
面４７と光学的に結合する。出射面４７上の像スポット
はビーム３７の左側から出射した部分だけによって形成
される。この理由は、ビーム３７の右側部分からの放射
はファイバプレート５０と交差するからである。光ファ
イバの軸５１が光ファイバの入射面に入射する放射の平
均方向にほぼ等しい場合、ビーム３７の左側部分の放射
はファイバに有効に入射する。放射の大部分は光ファイ
バの開口数内にあり、これら光ファイバによって検出ユ
ニットまで伝播する。透明体４６の屈折率は光ファイバ
のコア５２の屈折率に等しくして透明体と光ファイバと
の間の界面における反射損失を減少させることが好まし
い。検出ユニット４９及び関連する電子回路は、それぞ
れ素子１０，１９及び素子３５，４３を有する図１及び
図３の装置の電子回路と同一のものとすることができ
る。図５ａに示す装置の高さ測定の分解能は、光ファイ
バの直径及び検出ユニットの分解能によって決定され
る。迷光の影響を低減するため、図４ｂに示すマスク２
２を透明体４６とファイバプレート５０との間又はファ
イバプレート５０と検出ユニット４９との間に配置する
ことができる。

【００３４】図６は第２の型式の高さ測定装置の別の実
施例の一部を示し、本例ではレンズ８を通過した放射ビ
ーム３７の全ての放射を高さ測定のために用いる。この
ため、透明体は平凸レンズ４８と２個が別の透明体５７
及び５８を具え、これら透明体５７及び５８は共にレン
ズ４８に光学的に結合すると共にそれぞれ反射器５９，
６０が設けられ、各透明体の出射面６１，６２上に軸４
の像をそれぞれ形成する。各出射面６１，６２にはファ
イバプレート６３，６４をそれぞれ設け、これらファイ
バプレートに検出ユニット６５，６６をそれぞれ結合す
る。各透明体５７，５８の一方の側に吸収体６７，６８
をそれぞれ配置してゴースト像を形成する透明体中の放
射を吸収し高さの測定の品質を向上させる。従って、放
射ビーム３７の一方の半部を用いて検出ユニット６５に
信号が発生し、他方の半部を用いて検出ユニット６６に
信号が発生する。両方の検出ユニットの信号は前述した
ように処理することができる。両方の検出ユニットの信
号を用いことにより、高さ測定信号のＳ／Ｎ比が向上す
る。

【００３５】図６の装置の測定精度は、より多くの透明
体及びファイバプレートを付加することによりさらに改
善することができる。例えば、２個の透明体及びファイ
バプレートを軸４を通り紙面と直交する面内に配置する
ことができる。この場合、レンズ４８を出射した放射は
４分割され、４分割された放射部分は各透明体に入射す
る。

【００３６】図７は、離散配置した検出器と放射器又は
光ファイバとの間の最小軸距離によって分解能が制限さ
れない本発明による高さ測定装置を示す。表面２５を照
明し、表面からの反射光を図３に示す装置と同一の方法
で集光する。ホログラム７０を放射ビーム３７の光路中
に配置し、この放射ビームを一連のサブビーム７１〜７
５に分割する。これらサブビームはサブ軸７６〜８０を
有しサブ像スポット８１〜８５をそれぞれ形成する。サ
ブ像スポットは軸４と直交する方向及び平行な方向に互
いに変位する。サブ軸上に多数の個別の検出器８６〜９
０を配置し、各検出器は軸４の方向において同一の位置
に配置する。それぞれサブスポットが形成され検出器を
有する一連のサブ軸は、１個の像スポットを有すると共
に一連の接近配置した検出器を有する１本のビーム軸と
みなすことができる。この装置の分解能は、サブ像スポ
ット間の距離によって部分的に決定される。サブ像スポ
ット間の距離が短くなればなる程、分解能は増大する。
これらの距離はホログラムの設計特性によって決定さ
れ、所望の分解能に適合するいかなる値にも設定するこ
とができる。検出器の大きさは図７に示す装置の分解能
に制約を課すものではない。検出器は放射検出器とその
全面に配置したピンホール絞りとの組み合せにより又は
極めて微小な放射感知面を有する検出器によって構成す
ることができる。従って、サブビームがピンポール絞り
上に又は微小な感知面上に集束した場合、検出器から最
大の出力信号が発生する。図７に示す構成において、サ
ブビーム７３が集束する検出器８８が最大の出力信号を
発生する。他の検出器８６，８７，８９，９０はより小
さな出力信号を発生する。検出器の出力信号は電子手段
９１まで伝播され、この電子手段は入力する信号から最
大量の放射が入射した検出器を決定する。この決定は、
図１の電子回路１９と同一の方法で処理することができ
る。照明スポット３１の高さが変化すると、全てのサブ
像スポットの軸方向の位置が変化し、これにより最大量
の放射を受光する実際の検出器も変化する。従って、最
大量の放射を受光した検出を指示する電子手段９１の出
力信号９２の値は表面２５の高さの目安となる。

【００３７】図７の検出器８６〜９０は検出器アレイと
して結合し又は検出器８６〜９０の列と同一の長さを有
する位置感知検出器として結合することができる。この
場合検出器８６〜９０の前面に配置されるピンホール絞
りは検出器列と同一の長さを有する細条スリットより置
換することができる。位置感知検出器の２個の出力信号
は図３に示す電子手段４３を用いて処理することができ
る。

【００３８】検出器８６〜９０の列のような数個の検出
器列であってそれぞれが異なる軸方向位置を有する検出
器列を作ることにより、各サブ軸上の検出器の数を増加
させることも可能である。

【００３９】図８はホログラムを有する高さ測定装置の
別の実施例を示す。図面を明瞭にするため、ホログラム
９９からの３本のサブビーム９３，９４，９５だけを図
示する。サブビームはレンズ１００によりサブ像スポッ
ト９６，９７，９８に集束させる。軸４上の別のレンズ
１００′はホログラム９９の位置に焦点面を有し、サブ
ビームのサブ軸１０１，１０２，１０３をレンズ１０
０′の右側において互いに平行にする。従って、レンズ
１００′の右側の全ての検出器は、放射が種々の角度で
入射する図７に示す高さ測定装置の検出器とは異なり、
同一の入射角の放射が入射する。サブ像スポット９６，
９７，９８は同一の軸方向位置を有する。各サブ軸１０
１，１０２，１０３上に、各サブ軸毎にそれぞれ３個の
検出器１０４，１０７，１１０；１０５，１０８，１１
１；１０６，１０９，１１２を各検出器間軸方向距離が
互いに等しくなるように配置する。検出器１０４，１０
５及び１０６の軸方向位置は、サブ軸上の隣接する２個
の検出器１０４と１０７との間の距離を２分割するよう
に設定することが好ましい。このような検出器配置とす
ることにより、検出器間の実効距離、例えば検出器１０
４と１０７との間の距離及び検出器１０４と１０５との
間の距離を短くすることができる。検出器の実効距離が
１／３に減少すると測定の分解能は３倍に向上する。検
出器からの出力信号は、図７に示す電子手段９１と同等
の電子回路において処理することができる。レンズ１０
０の機能はレンズ１００′の機能に合併することがで
き、これにより測定装置のレンズの数を１個に減少させ
ることができる。

【００４０】本発明による高さ測定装置は、１次元又は
２次元の走査装置として適切に構成することができ、線
又は面としての高速高さ測定を行なうことができる。こ
の場合、正確な高さ測定を行なうためには、放射ビーム
を用いそのビーム軸４が測定されるべき表面の上方で平
行に変位するように走査する必要がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高さ測定装置の一例の構成を示す
線図である。

【図２】像スポット付近のビーム軸に沿う放射の強度分
布を示すグラフである。

【図３】ビーム軸上に一連の透明体を有する光学式高さ
測定装置の構成を示す線図である。

【図４】反射器としての回折格子を有する平行平面板及
びマスクを示す線図である。

【図５】ファイバプレートを有する光学式高さ測定装置
の一部を示す線図である。

【図６】透明体を有する光学式高さ測定装置の一部を示
す線図である。

【図７】ホログラムを有する光学式高さ測定装置を示す
線図である。

【図８】ホログラム及び視野レンズを有する光学式高さ
測定装置を示す線図である。

【符号の説明】

１高さ測定装置２表面３物体４軸５放射源６照明ビーム７ビームスプリッタ８結像光学系 13 像スポット 15 レンズ 16 , 35 検出ユニット 17 放射感知面 29 ミラー 33 平行平面板 43 電子手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クリスチャンヘンドリックフランスフェルツェルオランダ国 5621 ベーアーアインドーフェンフルーネヴァウツウェッハ１ (72)発明者コルネリスサンダークーエイマンオランダ国 5621 ベーアーアインドーフェンフルーネヴァウツウェッハ１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体表面の高さを光学的に測定する装置
であって、予め定めたビーム軸に沿って伝播し物体の表
面上に照明スポットを形成する放射源と、前記照明スポ
ットからの放射を放射ビームに集束させる結像光学系と
を具え、前記放射ビームが結像光学系の像空間において
前記ビーム軸上に像スポットを形成する光学式高さ測定
装置において、前記結像光学系の像空間に配置され、ビーム軸に沿う少
なくとも３個の位置で前記放射ビームからの放射を受光
し、受光した放射を電気信号に変換する検出ユニット
と、前記電気信号から、前記少なくとも３個の位置のう
ち最大量の放射を受光した位置を決定し、決定した位置
を前記照明スポットの位置において物体表面の高さと関
係付ける電子手段とを具えることを特徴とする光学式高
さ測定装置。
【請求項２】前記検出ユニットが少なくとも３個の個
別の検出器を具え、各検出器が大きさが入射した放射ビ
ームの放射の量と関係する電気信号を発生する出力部を
それぞれ有し、前記電子手段を、前記出力部に接続さ
れ、最大放射量を受光した検出器を決定する電子回路と
し、前記検出器の位置がビーム軸に沿う像スポットの最
大強度の位置と関係することを特徴とする請求項１に記
載の光学式高さ測定装置。
【請求項３】前記検出ユニットを位置感知検出器で構
成し、その放射感知面を前記ビーム軸に平行にし、この
位置感知検出器がその放射感知面の互いに対向する位置
に配置した少なくとも１対の出力部を有し、前記電子手
段が除算回路を具え、その入力部を前記位置感知検出器
の出力部に接続して、大きさが像スポットの最大強度の
位置の目安となる信号を発生するように構成したことを
特徴とする請求項１に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項４】前記結像光学系と検出ユニットとの間に
伸長状の放射を通過させるスリットを配置して迷光の入
射を阻止するように構成したことを特徴とする請求項２
又は３に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項５】前記ビーム軸に沿って位置決めした一連
の反射器を有し、前記放射ビームからの放射を前記検出
ユニットに向けて反射させることを特徴とする請求項
１，２又は３に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項６】前記反射器の数に対応した数の透明プレ
ート有し、各透明プレートが前記放射ビームの光路中に
配置され、各透明プレートがその表面の一部に形成され
た反射器を有し、この表面部分で反射した放射が透明プ
レート内での内部反射によって検出ユニットと対向する
出射面まで伝播するように構成したことを特徴とする請
求項５に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項７】前記各反射器を回折格子で構成しこたと
を特徴とする請求項５又は６に記載の光学式高さ測定装
置。
【請求項８】光ファイバ束を有し、各光ファイバが、
ビーム軸（４）上に位置する入射面と前記検出ユニット
と対向する出射面とを有することを特徴とする請求項
１，２又は３に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項９】各光ファイバの軸線の方向を、前記放射
ビーム中の光ファイバの入射面に入射する光線の平均方
向にほぼ等しくしたことを特徴とする請求項８に記載の
光学式高さ測定装置。
【請求項１０】前記光ファイバが結合されてファイバ
プレートを構成することを特徴とする請求項８又は９に
記載の光学式高さ測定装置。
【請求項１１】入射面及び出射面を有する透明体を前
記放射ビームの光路中に配置し、前記出射面が前記ビー
ム軸を含み、前記放射ビームが前記入射面から透明体に
入射し、前記光ファイバの入射面を前記出射面に光学的
に結合し、前記透明体の屈折率を前記光ファイバのコア
の屈折率にほぼ等しくしたことを特徴とする請求項８，
９又は１０に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項１２】前記透明体の入射面の曲率を、前記入
射面における放射ビームの波面の曲率にほぼ等しくした
ことを特徴とする光学式高さ測定装置。
【請求項１３】前記結像光学系の像空間に反射器を配
置して前記ビーム軸の鏡像を形成することを特徴とする
請求項８から１２までのいずれか１項に記載の光学式高
さ測定装置。
【請求項１４】前記結像光学系の像空間に配置され前
記放射ビームを一連のサブビームに分割するホログラム
を有し、各サブビームがそれぞれサブ軸を有すると共に
サブ像スポットをそれぞれ形成し、これらサブ像スポッ
トが前記ビーム軸と直交する方向及び平行な方向に互い
に変位し、少なくとも１個の検出器を各サブ軸上に配置
したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式高
さ測定装置。
【請求項１５】前記放射ビームから一連のサブビーム
を形成するホログラムを有し、各サブビームがそれぞれ
サブ軸を有すると共にサブ像スポットをそれぞれ形成
し、これらサブ像スポットが前記ビーム軸と直交する方
向に互いに変位し、各サブ軸上に少なくとも１個の検出
器を配置し、これら検出器がビーム軸に平行な方向に互
いに異なる位置を占めることを特徴とする請求項１又は
２に記載の光学式高さ測定装置。
【請求項１６】前記サブビームの光路の前記ホログラ
ムと検出器との間に別のレンズを配置し、前記ホログラ
ムが前記別のレンズの焦点面に位置することを特徴とす
る請求項１４又は１５に記載の光学式高さ測定装置。