JPH0650720A - 高さ測定方法および装置 - Google Patents

高さ測定方法および装置

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JPH0650720A
JPH0650720A JP4102656A JP10265692A JPH0650720A JP H0650720 A JPH0650720 A JP H0650720A JP 4102656 A JP4102656 A JP 4102656A JP 10265692 A JP10265692 A JP 10265692A JP H0650720 A JPH0650720 A JP H0650720A
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light
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lens
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政幸 輿島
Masao Kinoshita
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】反射強度の不均一な物、入射ビームの位置ずれ
がある場合に、正確に高さを測定する。 【構成】測定物１４を裁置しＸＹステージを有する測定
台１と、測定台１にレーザ光を垂直に照射し垂直方向へ
の反射光を第１のレンズで集光しビームスプリッタ６で
分割後第１のＰＳＤ９上に結像させる投受光光学系２
と、測定台１の斜め上方から反射光を受光する受光光学
系１０と、受光光学系１０の第２のＰＳＤ１２および投
受光光学系２の第１のＰＳＤ９の受光位置から測定物１
４の高さを求める信号処理回路１３とで構成される。 【効果】反射強度の不均一な物における反射ビームの強
度重心位置ずれ、入射ビームの位置ずれに起因する測定
誤差を補正又は無効として正確に高さ測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高さ測定方法および装
置に関し、特に反射率の大きく異なる面の混在する測定
物の高さを測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の高さ測定装置は図６に示すよう
に、次の（ａ）〜（ｄ）を備えている。 （ａ）測定物６０を載置しＸＹステージを有する測定台
５０ （ｂ）レーザ５２と、レーザ５２のビーム径を所要のビ
ーム径に拡大するビーム拡大器５３と、ビーム拡大器５
３で拡大されたレーザ光を測定台５０の測定面上で所要
のビーム径に収束する第１のレンズ５４と、レーザ光を
測定物６０に向けて鉛直下方に反射する反射ミラー５５
とで構成される投光光学系５１ （ｃ）測定台５０の斜め上方に置かれレーザ光の測定物
６０からの反射光の一部を集光する第２のレンズ５７
と、第２のレンズ５７の結像位置に置かれ反射光を受光
する半導体位置検出素子５８（以下ＰＳＤと略す）とで
構成される受光光学系５６ （ｄ）受光光学系５６のＰＳＤ５８の受光位置から三角
測量の原理で測定物６０の高さを求める信号処理回路５
９ 図７は、測定物６０の高さ測定原理を説明するための側
面図である。
【０００３】測定物６０に真上からレーザ光６１を当
て、測定物６０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ＰＳＤ５８
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６０の高さｈとＰＳＤ５８上での距離ｄ（高さｈ
からの反射光の受光位置と測定台５０の基準面からの反
射光の受光位置との間との距離）との関係は、 ｈ＝ｄ／（ｍｓｉｎθ） で与えられる。従ってＰＳＤ５８上の受光位置の変位を
測ることで測定物６０の高さが測定できる。
【０００４】図８は、レーザによる照射ビーム領域内に
反射強度の不均一性がある場合の高さ測定誤差を説明す
るための側面図である。
【０００５】測定物表面６３における反射率が均一な場
合、照射ビーム領域内の強度重心はビーム中心と一致
し、ＰＳＤ５８上では受光位置６２として検出される。
一方、測定物表面６３における反射率が不均一で強度重
心がビーム中心からずれると、それに比例してＰＳＤ５
８上での受光検出位置がずれる（受光位置６２’，６
２”）。照射レーザ光６１のビーム径をＤ、受光角度を
θとして、反射ビームの強度重心が最大のＤ／２ずれた
と仮定すれば高さ測定誤差△ｈは△ｈ＝Ｄ／２ｔａｎθ
となる。
【０００６】例えばビーム径Ｄ＝２０μｍ、受光角度θ
＝３０°とすれば△ｈ＝１７．３μｍとなる。尚レーザ
の出射角度の変動、レーザ光を走査した場合には走査系
に使用される。
【０００７】スキャナの面倒れ等に起因する入射ビーム
それものの位置ずれも同様にして高さ測定誤差の要因と
なる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この従来の高さ測定装
置では、三角測量の原理で反射光の受光位置をもとに測
定物の高さを求める場合に、単に受光ビームの強度重心
位置をビームの中心位置として高さを演算しているた
め、反射率の不均一性および入射ビームの位置ずれによ
る受光ビームの強度重心のずれが高さ測定誤差として生
じるというような問題点があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の高さ測定方法
は、レーザ光を垂直に入射した測定物からの斜め方向の
反射光を集光して第２の位置検出型受光素子上に結像さ
せ前記第２の位置検出型受光素子の受光位置から三角測
量により前記測定物の高さを測定し、レーザ光の前記測
定物からの垂直方向への反射光を集光しビームスプリッ
タで入射するレーザ光から分割後に第１の位置検出型受
光素子上に結像させ反射光の強度重心位置を検出し入射
中心からのずれ量を求めることにより照射ビーム領域内
における反射率不均一性および入射ビームの位置ずれに
起因する測定誤差を求め、この測定誤差により前記第２
の位置検出型受光素子による測定結果を補正することを
特徴とする。
【００１０】本発明の高さ測定装置は、（Ａ）測定物を
載置しＸＹステージを有する測定台と、（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、前記ビーム拡大器を通過したレーザ光
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）前記測定
台の斜め上方に置かれレーザ光の前記測定台に裁置され
た測定物からの反射光の一部を集光する第３のレンズ
と、前記第３のレンズの結像位置に置かれ反射光を受光
する第２の位置検出型受光素子とで構成される第１の受
光光学系と、（Ｄ）前記ビーム拡大器および前記第１の
レンズの間に設けられレーザ光の前記測定物からの鉛直
方向の反射光を投光されるレーザ光から分割するビーム
スプリッタと、前記ビームスプリッタで分割された鉛直
方向の反射光を結像させる第２のレンズと、前記第２の
レンズの結像位置に置かれ鉛直方向の反射光の前記第１
の受光光学系の受光軸の前記測定面への投影方向におけ
るビーム強度重心位置を検出する第１の位置検出型受光
素子とで構成される第２の受光光学系と、（Ｅ）前記第
２の位置検出型受光素子の受光位置から三角測量の原理
で前記測定物の高さを求める第１の高さ演算回路と、前
記第１の位置検出型受光素子の受光位置から反射光の強
度重心位置を検出し入射中心からのずれ量を求め照射ビ
ーム領域内における反射強度の不均一性に起因する高さ
測定誤差を演算する第２の高さ演算回路と、前記第１の
高さ演算回路の出力を前記第２の高さ演算回路の出力で
補正し前記測定物の高さを求める第３の高さ演算回路と
で構成される信号処理回路とを備える。
【００１１】本発明の高さ測定方法は、レーザ光を垂直
に入射した測定物から斜め方向の反射光を集光して位置
検出型素子上に結像させ前記位置検出型受光素子の受光
位置から三角測量により前記測定物の高さを求め、レー
ザ光の前記測定物からの垂直方向への反射光を集光しビ
ームスプリッタで入射するレーザ光から分割後に二分割
センサ上に結像させ、前記二分割センサの差出力が所定
の値以下の場合のみ前記位置検出型受光素子の受光位置
から求めた前記測定物の高さを有効とすることを特徴と
する。
【００１２】本発明の高さ測定装置は、（Ａ）測定物を
載置しＸＹステージを有する測定台と、（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、前記ビーム拡大器を通過したレーザ光
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）前記測定
台の斜め上方に置かれレーザ光の前記測定台に裁置され
た測定物からの反射光の一部を集光する第３のレンズ
と、前記第３のレンズの結像位置に置かれ反射光を受光
する位置検出型受光素子とで構成される第１の受光光学
系と、（Ｄ）前記ビーム拡大器および前記第１のレンズ
の間に設けられレーザ光の前記測定物からの鉛直方向の
反射光を投光されるレーザ光から分割するビームスプリ
ッタと、前記ビームスプリッタで分割された鉛直方向の
反射光を結像させる第２のレンズと、前記第２のレンズ
の結像位置に置かれ鉛直方向の反射光の前記第１の受光
光学系の受光軸の前記測定面への投影方向におけるビー
ム強度重心位置に応じた差出力を得る二分割センサとで
構成される第２の受光光学系と、（Ｅ）前記位置検出型
受光素子の受光位置から三角測量の原理で前記測定物の
高さを求める高さ演算回路と、前記二分割センサの差出
力が所定の値以下の時のみ前記高さ演算回路で求めた高
さを有効とする選択回路とで構成される信号処理回路、
とを備える。
【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、本発明の一実施例を示す斜視図で
ある。本実施例は次の（Ａ）〜（Ｄ）を備えている。 （Ａ）測定物１４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のビーム径をレーザ径に拡
大するビーム拡大器４と、ビーム拡大器４を通過したレ
ーザ光を測定台１に対して鉛直に反射する反射ミラー５
と、反射ミラー５で反射したレーザ光を鉛直方向と水平
方向に分割するビームスプリッタ６と、ビームスプリッ
タ６で鉛直方向に通過し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７と、測定
物１４で反射し第１のレンズ７で集光されビームスプリ
ッタ６で水平方向に分光された反射光を集光する第２の
レンズ８と、第２のレンズ８の結像位置に置かれ鉛直反
射ビームの後述される受光光学系１０の受光軸の投影方
向におけるビーム強度重心位置を検出する第１のＰＳＤ
９とで構成される投受光光学系２ （Ｃ）測定台１の斜め上方に置かれ反射光の一部を集光
する第３のレンズ１１と、第３の結像位置に置かれ受光
位置を検出する第２のＰＳＤ１２とで構成される受光光
学系１０ （Ｄ）受光光学系１０の第２のＰＳＤ１２と、投受光光
学系２の第１のＰＳＤ９の受光位置から測定物１４の高
さを求める信号処理回路１３ 図２は、図１に示した信号処理回路１３の構成を示した
ブロック図である。
【００１５】受光光学系１０の第２のＰＳＤ１２の受光
位置のＰＳＤ中心からの変位量（ｄ1 とする）をもと
に、受光光学系１０の第３のレンズ１１の結像倍率ｍ1
および受光光学系１０の受光角度θを用いて、式 ｈ1 ＝ｄ1 ／（ｍ1 ｓｉｎθ）………（１） から高さを求める第１の高さ演算回路１５と、投受光光
学系２の第１のＰＳＤ９の受光位置のＰＳＤ中心からの
変位量（ｄ2 とする）をもとに、第２のレンズ８の結像
倍率ｍ2 および受光光学系１０の受光角度θを用いて、
式 ｈ2 ＝ｄ2 ／（ｍ2 ｔａｎθ）………（２） から測定物１４の反射率不均一に起因する測定誤差を求
める第２の高さ演算回路１６と、第１の高さ演算回路１
５の出力（ｈ１）と第２の高さ演算回路１６の出力（ｈ
２）を用いて、式 Ｈ＝ｈ1 −ｈ2 ………（３） から測定誤差を補正し測定物の高さＨを求める第３の高
さ演算回路１７とで構成される。
【００１６】図３は、高さが一定で反射率が不均一な測
定物の平明図、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は図３に示
した測定物を図１に示した高さ測定装置で測定した時の
特徴を示すグラフである。
【００１７】受光軸の投影方向と平行に反射率が大きい
領域１９および小さい領域１８をもつ測定物１４’に対
して照射ビーム２０の位置が図３で左から右に移動した
とする。この場合照射ビーム２０が反射率の異なる２つ
の領域の境界にある間は反射ビームの強度重心が変化
し、重心位置がビームの中心からずれる。このため、図
４（ａ）に示した第１の高さ演算回路１５の出力は左側
の境界領域では見かけ上高さが一度高くなりもとにもど
る。また右側の境界領域では逆に一度低くなりもとにも
どる。
【００１８】図３および図４においてＰ1 は領域１８の
左側の境界に接し始めた時の照射ビーム２０の中心の位
置，Ｐ2 は領域１８の左側の境界から離れ始める時の照
射ビーム２０の中心の位置，Ｐ3 は領域１８の右側の境
界に接し始めた時の照射ビーム２０の中心の位置，Ｐ4
は領域１８の右側の境界から離れ始める時の照射ビーム
２０の中心の位置を示す。
【００１９】同図（ｂ）は、第２の高さ演算回路１６の
出力を示したものである。照射ビーム２０が境界領域に
ある場合、反射ビームの強度重心の位置ずれ量に比例し
て高さ変動があらわれる。同図（ｃ）は、第１の高さ演
算回路１５の出力から第２の高さ演算回路１６の出力を
減算した第３の高さ演算回路１７の出力を示したもので
ある。境界領域における反射ビームの強度重心ずれに伴
う誤差がキャンセルされ正確の高さが測定できる。
【００２０】本発明の他の実施例として図１に示す構成
のうち、第１のＰＳＤ９の変わりに二分割センサを用
い、信号処理回路１３の変わりに図５に示す信号処理回
路１３’を用いたものがある。
【００２１】信号処理回路１３’には図２に示されるも
のと同じ第１の高さ演算回路１５および第１のＰＳＤ９
の変わりの二分割センサの差信号出力に基づき第１の高
さ演算回路１５の出力を選択する選択回路２２を備えて
おり、二分割センサの差信号出力が所定の値より大きい
時、すなわち測定誤差が所定の値より大きい時の第１の
高さ演算回路１５の出力は除外して測定物の高さとして
は出力しない。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、測定物の
照射ビーム領域内における反射率の不均一性および入射
ビームの受光軸投影方向への位置ずれに起因する反射光
の強度重心位置ずれを検出する手段をもちかつ強度重心
位置ずれに伴う高さ測定誤差を演算・補正する機能、ま
たは、測定誤差が大きい場合に、そのデータを無効とす
る機能を有しているため反射強度が不均一な物又は入射
ビームの位置ずれが生じる測定物も、正確に高さを測定
できるという効果を有する。
【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に示した実施例の機能を説明するための測
定物の平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ図３に示す測定物１
４’を走査した時の第１の高さ演算回路１５の出力を示
す図、第２の高さ演算回路１６の出力を示す図および第
３の高さ演算回路１７の出力を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例に用いられる信号処理回路
１３’のブロック図である。
【図６】従来の高さ測定装置の斜視図である。
【図７】図６に示した高さ測定装置の測定原理を説明す
る側面図である。
【図８】図６に示した高さ測定における問題点を説明す
る側面図である。
【符号の説明】
１，５０ 測定台 ２ 投受光光学系 ３，５２ レーザ ４，５３ ビーム拡大器 ５，５５ 反射ミラー ６ ビームスプリッタ ７，５４ 第１のレンズ ８，５７ 第２のレンズ ９ 第１のＰＳＤ １０，５６ 受光光学系 １１ 第３のレンズ １２，１２’ 第２のＰＳＤ １３，１３’，５９ 信号処理回路 １４，１４’，６０ 測定物 １５，１５’ 第１の高さ演算回路 １６ 第２の高さ演算回路 １７ 第３の高さ演算回路 １８ 反射率小領域 １９ 反射率大領域 ２０ 照射ビーム ５１ 投光光学系 ５８ 半導体位置検出素子 ６１ レーザ光 ６２，６２’，６２” 受光位置 ６３ 測定物表面 ２１ 二分割センサ ２２ 選択回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光を垂直に入射した測定物からの
    斜め方向の反射光を集光して第２の位置検出型受光素子
    上に結像させ前記第２の位置検出型受光素子の受光位置
    から三角測量により前記測定物の高さを測定し、レーザ
    光の前記測定物からの垂直方向への反射光を集光しビー
    ムスプリッタで入射するレーザ光から分割後に第１の位
    置検出型受光素子上に結像させ反射光の強度重心位置を
    検出し入射中心からのずれ量を求めることにより照射ビ
    ーム領域内における反射率不均一性および入射ビームの
    位置ずれに起因する測定誤差を求め、この測定誤差によ
    り前記第２の位置検出型受光素子による測定結果を補正
    することを特徴とする高さ測定方法。
  2. 【請求項２】 （Ａ）測定物を載置しＸＹステージを有
    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
    ム拡大器を通過し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）前記測定台の斜め上方に置かれレー
    ザ光の前記測定台に裁置された測定物からの反射光の一
    部を集光する第３のレンズと、前記第３のレンズの結像
    位置に置かれ反射光を受光する第２の位置検出型受光素
    子とで構成される第１の受光光学系と、（Ｄ）前記ビー
    ム拡大器および前記第１のレンズの間に設けられレーザ
    光の前記測定物からの鉛直方向の反射光を投光されるレ
    ーザ光から分割するビームスプリッタと、前記ビームス
    プリッタで分割された鉛直方向の反射光を結像させる第
    ２のレンズと、前記第２のレンズの結像位置に置かれ鉛
    直方向の反射光の前記第１の受光光学系の受光軸の前記
    測定面への投影方向におけるビーム強度重心位置を検出
    する第１の位置検出型受光素子とで構成される第２の受
    光光学系と、（Ｅ）前記第２の位置検出型受光素子の受
    光位置から三角測量の原理で前記測定物の高さを求める
    第１の高さ演算回路と、前記第１の位置検出型受光素子
    の受光位置から反射光の強度重心位置を検出し入射中心
    からのずれ量を求め照射ビーム領域内における反射強度
    の不均一性に起因する高さ測定誤差を演算する第２の高
    さ演算回路と、前記第１の高さ演算回路の出力を前記第
    ２の高さ演算回路の出力で補正し前記測定物の高さを求
    める第３の高さ演算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高さ測定装置。
  3. 【請求項３】 レーザ光を垂直に入射した測定物から斜
    め方向の反射光を集光して位置検出型素子上に結像させ
    前記位置検出型受光素子の受光位置から三角測量により
    前記測定物の高さを求め、レーザ光の前記測定物からの
    垂直方向への反射光を集光しビームスプリッタで入射す
    るレーザ光から分割後に二分割センサ上に結像させ、前
    記二分割センサの差出力が所定の値以下の場合のみ前記
    位置検出型受光素子の受光位置から求めた前記測定物の
    高さを有効とすることを特徴とする高さ測定方法。
  4. 【請求項４】 （Ａ）測定物を載置しＸＹステージを有
    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
    ム拡大器を通過し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）前記測定台の斜め上方に置かれレー
    ザ光の前記測定台に裁置された測定物からの反射光の一
    部を集光する第３のレンズと、前記第３のレンズの結像
    位置に置かれ反射光を受光する位置検出型受光素子とで
    構成される第１の受光光学系と、（Ｄ）前記ビーム拡大
    器および前記第１のレンズの間に設けられレーザ光の前
    記測定物からの鉛直方向の反射光を投光されるレーザ光
    から分割するビームスプリッタと、前記ビームスプリッ
    タで分割された鉛直方向の反射光を結像させる第２のレ
    ンズと、前記第２のレンズの結像位置に置かれ鉛直方向
    の反射光の前記第１の受光光学系の受光軸の前記測定面
    への投影方向におけるビーム強度重心位置に応じた差出
    力を得る二分割センサとで構成される第２の受光光学系
    と、（Ｅ）前記位置検出型受光素子の受光位置から三角
    測量の原理で前記測定物の高さを求める高さ演算回路
    と、前記二分割センサの差出力が所定の値以下の時のみ
    前記高さ演算回路で求めた高さを有効とする選択回路と
    で構成される信号処理回路、とを備えることを特徴とす
    る高さ測定装置。
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