JPH0652168B2 - Three-dimensional shape measuring device - Google Patents

Three-dimensional shape measuring device

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JPH0652168B2
JPH0652168B2 JP13790284A JP13790284A JPH0652168B2 JP H0652168 B2 JPH0652168 B2 JP H0652168B2 JP 13790284 A JP13790284 A JP 13790284A JP 13790284 A JP13790284 A JP 13790284A JP H0652168 B2 JPH0652168 B2 JP H0652168B2
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JP
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optical system
light
focused
state determination
objective lens
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哲志 野瀬
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は3次元形状測定装置に関し、特に非接触にて高
速に形状測定を行ない得る3次元形状測定装置に関す
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus, and more particularly to a three-dimensional shape measuring apparatus capable of performing non-contact high-speed shape measurement.

〔従来技術〕[Prior art]

従来、物体の3次元形状即ち立体的形状を非接触にて測
定するための種々の方法が用いられている。この様な測
定方法としては、コヒーレント光を利用した干渉計測法
や、スリット光による光切断像を読取る方法等が用いら
れている。しかしながら、干渉計測法は被測定物の表面
全体を同時に精度良く測定できるという利点を有する反
面、被測定物表面の凹凸が光の波長に対してかなり大き
い場合には測定が困難であるという欠点がある。また、
光切断像を読取る方法は光の波長のオーダーの凹凸形状
の測定は困難であり従って高精度は望めないという欠点
がある。
Conventionally, various methods have been used for non-contact measurement of a three-dimensional shape, that is, a three-dimensional shape of an object. As such a measuring method, an interference measuring method using coherent light, a method of reading a light section image by slit light, and the like are used. However, while the interferometric method has the advantage that the entire surface of the object to be measured can be simultaneously and accurately measured, it has the drawback that it is difficult to measure when the irregularities on the surface of the object to be measured are considerably large with respect to the wavelength of light. is there. Also,
The method of reading a light-section image has a drawback that it is difficult to measure the uneven shape on the order of the wavelength of light, and therefore high accuracy cannot be expected.

そこで、内部光源を有する合焦状態判別光学系を移動台
上に載置し、該光学系を被測定物表面にフォーカシング
せしめるべく移動台を移動せしめることにより、該移動
台の移動量から3次元形状を測定する方式が提案されて
いる(特公昭46−40231号公報)。これによれ
ば、被測定物表面の凹凸の程度によらず、かなりの精度
で形状測定を行なうことができる。
Therefore, a focusing state determination optical system having an internal light source is placed on a moving table, and the moving table is moved so as to focus the optical system on the surface of the object to be measured. A method for measuring the shape has been proposed (Japanese Patent Publication No. 46-40231). According to this, the shape can be measured with considerable accuracy regardless of the degree of unevenness on the surface of the object to be measured.

ところが、被測定物表面に微細な凹凸(即ち、うねり)
がある場合には、該凹凸の形状の高さの差即ち距離のみ
の測定により表現するよりは、傾斜角をも同時に測定し
て表現した方がより正確な情報となるが、上記の如き従
来の測定方式においてはこの様な正確な情報を得ること
はできない。
However, fine irregularities (that is, undulations) on the surface of the measured object
If there is such a difference, it is more accurate to measure the inclination angle at the same time than to express it by measuring only the height difference of the irregularities, that is, the distance. Such accurate information cannot be obtained in the measurement method of.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明は、上記の如き従来技術に鑑み、高精度,高スト
ローク且つスポート計測にて極めて微細な3次元形状を
正確に測定し得る3次元形状測定装置を提供することを
目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional techniques, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of accurately measuring an extremely fine three-dimensional shape with high precision, high stroke, and sport measurement.

本発明は、特に、合焦状態判別と傾斜角測定とを概略同
一スポットで行い得る様にして、同一特定位置における
両方の微細なデータが得られる様にした3次元形状測定
装置を提供することを目的とする。
In particular, the present invention provides a three-dimensional shape measuring apparatus capable of performing in-focus state determination and tilt angle measurement substantially at the same spot so as to obtain fine data of both at the same specific position. With the goal.

[発明の要旨] 本発明によれば、上記の如き目的は、集光光を対象物方
向に照射して該集光光の集光位置と対象物との相対位置
関係を判別する合焦状態判別光学系と、該合焦状態判別
光学系と少なくとも対物レンズ近傍における光路を共有
し且つ前記合焦状態判別光学系と概略同じ集光位置に集
光する集光光を対象物方向に照射して該集光位置におけ
る対象物の傾斜角を測定する傾斜角測定光学系と、前記
合焦状態判別光学系と傾斜角測定光学系から出射する光
束の集光位置が移動させるための可動部と、該可動部の
移動量を測定するための手段とが設けられていることを
特徴とする、3次元形状測定装置により達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, an object as described above is a focused state in which condensed light is irradiated in the direction of an object to determine the relative positional relationship between the condensed position of the condensed light and the object. The discriminating optical system and the focused state discriminating optical system share an optical path at least in the vicinity of the objective lens, and irradiate in the direction of the object with condensed light condensing at a condensing position substantially the same as that of the focusing state discriminating optical system. A tilt angle measuring optical system for measuring the tilt angle of the object at the light collecting position, and a movable part for moving the light collecting position of the light flux emitted from the focusing state determination optical system and the tilt angle measuring optical system. And a means for measuring the amount of movement of the movable part are provided.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、図面を参照しつつ本発明測定装置の具体的実施例
を説明する。
Hereinafter, specific examples of the measuring apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の3次元形状測定装置の第1の実施例を
示す概略構成図である。第1図において、2は合焦状態
判別光学系であり、4は傾斜角測定光学系である。光学
系2及び4はケーシング6に組込まれている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In FIG. 1, 2 is an in-focus state determination optical system, and 4 is an inclination angle measurement optical system. The optical systems 2 and 4 are incorporated in a casing 6.

合焦状態判別光学系2において、8は光源であり、10
はコリメーターレンズであり、12はナイフエッジであ
り、14は偏光ビームスプリッターであり、16はハー
フミラーであり、18は1/4波長板であり、20は対物
レンズであり、22はバンドパスフィルターであり、2
4はレンズであり、26は光学的センサーである。
In the focusing state determination optical system 2, 8 is a light source, and 10
Is a collimator lens, 12 is a knife edge, 14 is a polarization beam splitter, 16 is a half mirror, 18 is a 1/4 wavelength plate, 20 is an objective lens, and 22 is a bandpass. A filter, 2
Reference numeral 4 is a lens, and 26 is an optical sensor.

傾斜角測定光学系4において、28は光源であり、30
及び32はレンズであり、34は偏光ビームスプリッタ
ーであり、36はバンドパスフィルターであり、38は
光学的センサーである。尚、この光学系4においてはハ
ーフミラー16、1/4波長板18及び対物レンズ20は
光学系2と共用されている。
In the tilt angle measuring optical system 4, 28 is a light source, and 30
And 32 are lenses, 34 is a polarization beam splitter, 36 is a bandpass filter, and 38 is an optical sensor. In the optical system 4, the half mirror 16, the quarter-wave plate 18 and the objective lens 20 are shared with the optical system 2.

ケーシング6は外部に固設されたアクチュエーター40
に接続されている。該アクチュエーター40を駆動せし
めることにより、ケーシング6は対物レンズ20の光軸
Xに沿って移動することができる。アクチュエーター4
0としては高精度な移動量コントロールを実現すべく流
体移動軸受スライド機構を備えたもの等を用いるのが好
ましい。
The casing 6 is an actuator 40 fixed to the outside.
It is connected to the. The casing 6 can be moved along the optical axis X of the objective lens 20 by driving the actuator 40. Actuator 4
As 0, it is preferable to use one having a fluid moving bearing slide mechanism or the like in order to realize highly accurate movement amount control.

ケーシング6にはまたその移動量を測定するための測長
手段42が付設されている。測長手段42としてはたと
えば格子干渉測長方式によるもの(Oplus E,1981
年4月号p84〜)が用いられ、この場合、第1図にお
ける44はケーシング6に固定された基準格子であり、
46は外部に固設された格子ピッチ読取装置である。
The casing 6 is also provided with a length measuring means 42 for measuring the amount of movement. As the length measuring means 42, for example, one using a grating interference length measuring method (Oplus E, 1981)
April issue p84-), in which case 44 in FIG. 1 is a reference grid fixed to the casing 6,
Reference numeral 46 is a grating pitch reading device fixed to the outside.

50は形状を測定されるべき被測定物である。Reference numeral 50 is an object to be measured whose shape is to be measured.

本実施例における合焦状態判別光学系2の合焦状態判別
法につき以下説明する 光源8から発せられた光はコリメーターレンズ10によ
り平行光束とされ、該平行光束は偏光ビームスプリッタ
ー14を透過してハーフミラー16により反射されて、
1/4波長板18を透過し対物レンズ20に入射する。
尚、コリメーターレンズ10を出た平行光束はナイフエ
ッジ12により一部遮光され、対物レンズ20にはその
光軸Xを通る境界面により2分される2つのゾーンのう
ちの一方(図においては上半分のゾーン)にのみ入射す
る。かくして、対物レンズ20により集束せしめられた
光は被測定物50の表面上にスポットを結ぶ。該スポッ
トから反射された光は、再び対物レンズ20を透過し、
1/4波長板18を経てハーフミラー16により反射せし
められ、ビームスプリッター14により反射せしめら
れ、バンドパスフィルター22及びレンズ24を透過し
た後、センサー26に到達する。
The focus state determination method of the focus state determination optical system 2 in the present embodiment will be described below. The light emitted from the light source 8 is collimated by the collimator lens 10, and the collimated beam is transmitted through the polarization beam splitter 14. Is reflected by the half mirror 16,
The light passes through the quarter-wave plate 18 and enters the objective lens 20.
It should be noted that the parallel light flux exiting the collimator lens 10 is partially shielded by the knife edge 12, and the objective lens 20 has one of two zones divided by a boundary surface passing through the optical axis X (in the figure, It is incident only on the upper half zone). Thus, the light focused by the objective lens 20 forms a spot on the surface of the DUT 50. The light reflected from the spot passes through the objective lens 20 again,
After passing through the quarter-wave plate 18, it is reflected by the half mirror 16, is reflected by the beam splitter 14, passes through the bandpass filter 22 and the lens 24, and then reaches the sensor 26.

しかして、この際、被測定物50の表面と対物レンズ2
0との距離によりセンサー26に到達する光に差が生ず
る。即ち、第2図に示される様に、被測定物50の表面
がちょうど対物レンズ20の焦点位置に存在する場合
(図中のイの位置)には、被測定物50の表面における
スポットはちょうど光軸X上にその中心が位置するた
め、反射光はセンサー26において光軸Y上に中心をも
って位置することになる。また、被測定物50の表面が
対物レンズ20の焦点位置よりも遠くに位置する場合
(図中のロの位置)には、被測定物50の表面における
スポットは光軸Xからずれた図におけるAゾーン内に中
心をもって位置する様になるため、その反射光はセンサ
ー26において光軸Yからずれた図におけるA′ゾーン
に中心をもって位置することになる。一方、被測定物5
0の表面が対物レンズ20の焦点位置よりも近くに位置
する場合(図中のハの位置)には、被測定物50の表面
におけるスポットは光軸Xからずれた図におけるBゾー
ンに中心をもって位置する様になるため、その反射光は
センサー26において光軸Yからずれた図におけるB′
ゾーンに中心をもって位置することになる。
Therefore, at this time, the surface of the DUT 50 and the objective lens 2 are
The distance from 0 causes a difference in the light reaching the sensor 26. That is, as shown in FIG. 2, when the surface of the object to be measured 50 is exactly at the focus position of the objective lens 20 (position a in the figure), the spot on the surface of the object to be measured 50 is just Since the center is located on the optical axis X, the reflected light is centered on the optical axis Y at the sensor 26. When the surface of the DUT 50 is located farther than the focal position of the objective lens 20 (position B in the figure), the spot on the surface of the DUT 50 is displaced from the optical axis X in the figure. Since it comes to be centered in the A zone, the reflected light is centered in the A'zone in the figure which is deviated from the optical axis Y in the sensor 26. On the other hand, DUT 5
When the surface of 0 is located closer to the focal position of the objective lens 20 (position of C in the figure), the spot on the surface of the DUT 50 has a center in the B zone in the figure which is deviated from the optical axis X. Since it is positioned, the reflected light is shifted from the optical axis Y in the sensor 26 by B ′ in the figure.
It will be centered in the zone.

センサー26としてはCCD(Charge Coupled Device)等
のアレイセンサーが用いられる。第3図はこの様なセン
サー26の平面図である。この図は第2図におけるセン
サー26を左方から見たものである。図中、斜線を付し
た部分はセンサーセグメント間を分離しているチャンネ
ルストッパー部を示す。第3図のセンサー26には、被
測定物50の表面位置が第2図のイ,ロ又はハである場
合のスポット位置及びその光量分布のグラフが記されて
いる。
An array sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) is used as the sensor 26. FIG. 3 is a plan view of such a sensor 26. This figure shows the sensor 26 in FIG. 2 as viewed from the left. In the figure, the shaded portion indicates the channel stopper portion separating the sensor segments. The sensor 26 of FIG. 3 shows a graph of the spot position and its light amount distribution when the surface position of the DUT 50 is a, b, or c of FIG.

センサー26において、A′ゾーンにおける全センサー
セグメントの出力の和をIA′とし、B′ゾーンにおける
全センサーセグメントの出力の和をIB′とすると、光学
系2の被測定物50に対する合焦状態に応じてΔI=
AA′−IB′が変化する。その関係を第4図に示す。第4
図から分る様に、フォーカシングが完全になされている
場合(上記イの状態)の近傍においてはΔIはほぼリニ
アに変化する。この特性を利用することによって光学系
2が前ピント外れ状態であるか、完全にフォーカシング
状態であるか、後ピント外れ状態であるかが判別でき
る。
In the sensor 26, if the sum of the outputs of all the sensor segments in the A ′ zone is I A ′ and the sum of the outputs of all the sensor segments in the B ′ zone is I B ′, the focus of the optical system 2 on the object 50 to be measured is focused. ΔI = depending on the state
A A ′ -I B ′ changes. The relationship is shown in FIG. Fourth
As can be seen from the figure, ΔI changes almost linearly in the vicinity of the case where the focusing is completely performed (the above-mentioned state of a). By utilizing this characteristic, it is possible to determine whether the optical system 2 is in the front defocused state, completely in the focusing state, or in the rear defocused state.

従って、この出力ΔIに基づきΔIをOにするべくアクチ
ュエーター40をサーボ駆動せしめることにより、自動
フォーカシングが実現できる。この際のケーシング6の
移動量を測長手段42で測定することにより被測定物5
0の表面の光軸Xと交わる部分の位置が測定される。こ
の位置測定を被測定物表面の全体について行なうことに
より3次元形状が測定できる。
Therefore, automatic focusing can be realized by servo-driving the actuator 40 so that ΔI becomes O based on the output ΔI. By measuring the amount of movement of the casing 6 at this time by the length measuring means 42, the measured object 5
The position of the portion of the surface of 0 that intersects the optical axis X is measured. By performing this position measurement on the entire surface of the object to be measured, a three-dimensional shape can be measured.

次に、本実施例における傾斜角測定光学系4の傾斜角測
定法につき以下説明する。
Next, the tilt angle measuring method of the tilt angle measuring optical system 4 in the present embodiment will be described below.

光源28から発せられた光はレンズ30及び32を透過
した後、平行光束となって偏光ビームスプリッター34
に入射して反射せしめられ、ハーフミラー16及び1/4
波長板18を透過して、対物レンズ20により集束せし
められる。尚、この光学系4においては対物レンズ20
に入射する光束が光軸X上に中心を有し且つ該光軸Xに
平行に入射する様になっている。かくして対物レンズ2
0により集束せしめられた光は被測定物50の表面上に
おいてX軸上に中心を有するスポットを結ぶ。該スポッ
トから反射された光束は再び対物レンズ20を透過し、
1/4波長板18、ハーフミラー16、偏光ビームスプリ
ッター34及びバンドパスフィルター36を透過した
後、センサー38に到達する。
The light emitted from the light source 28 passes through the lenses 30 and 32 and then becomes a parallel light flux, which is a polarization beam splitter 34.
Is reflected by the half mirror 16 and 1/4.
It passes through the wave plate 18 and is focused by the objective lens 20. In this optical system 4, the objective lens 20
A light beam incident on the optical axis has a center on the optical axis X and is incident parallel to the optical axis X. Thus the objective lens 2
The light focused by 0 forms a spot having a center on the X axis on the surface of the DUT 50. The light beam reflected from the spot passes through the objective lens 20 again,
After passing through the quarter-wave plate 18, the half mirror 16, the polarization beam splitter 34, and the bandpass filter 36, the light reaches the sensor 38.

しかして、この際、被測定物50の表面の傾斜角により
センサー38に到達する光に差が生ずる。即ち、第5図
に示される様に、被測定物50の表面が光軸X上の位置
において光軸Xと垂直の面に対し角度αだけ傾いている
とすると、投光スポットからの反射光束は光軸Xに対し
角度2αをなす方向に中心を有して対物レンズ20に入
射する。かくして、対物レンズ20に入射した光束は光
軸Xと平行に進行し、その光速中心は光軸Xからh≒fs
in2α(ここで、fは対物レンズ20の焦点距離をあら
わす)だけ隔てられている。
At this time, however, a difference occurs in the light reaching the sensor 38 due to the inclination angle of the surface of the DUT 50. That is, as shown in FIG. 5, assuming that the surface of the DUT 50 is inclined at the position on the optical axis X with respect to the plane perpendicular to the optical axis X by an angle α, the reflected light beam from the projected spot is reflected. Enters the objective lens 20 with its center in the direction forming an angle 2α with respect to the optical axis X. Thus, the light beam incident on the objective lens 20 travels in parallel with the optical axis X, and the center of the speed of light is h≈fs from the optical axis X.
They are separated by in2α (here, f represents the focal length of the objective lens 20).

センサー38としては光束の重心位置検知センサーいわ
ゆるポジションセンサーなどが用いられ、これにより上
記のhを測定することによって上記αを求めることがで
きる。
As the sensor 38, a barycentric position detecting sensor of a light beam, a so-called position sensor, or the like is used, and the above α can be obtained by measuring the above h.

以上の説明から分る様に、傾斜角測定に際しては被測定
物50の表面が対物レンズ20の焦点位置にあることが
必要であるが、上記光学系2とアクチュエーター40と
の作用により常にフォーカシングがなされているのでこ
の条件は常に満たされている。
As can be seen from the above description, the surface of the object to be measured 50 needs to be at the focal position of the objective lens 20 when measuring the tilt angle, but focusing is always performed by the action of the optical system 2 and the actuator 40. Since this is done, this condition is always met.

また、合焦状態判別光学系2と傾斜角測定光学系4とは
一部共通部分を有するので、各光学系において用いる光
源の波長帯域を異ならせたり、偏光状態を異ならせたり
して、クロストークが生じない様にする。このため、バ
ンドパスフィルター22及び36、更には偏光ビームス
プリッター14及び34及び1/4波長板18が用いられ
ている。
In addition, since the focusing state determination optical system 2 and the tilt angle measuring optical system 4 have a part in common, the wavelength band of the light source used in each optical system is different, or the polarization state is different, so that crossing occurs. Make sure there is no talk. Therefore, the bandpass filters 22 and 36, the polarization beam splitters 14 and 34, and the quarter-wave plate 18 are used.

以上の如き実施例の3次元形状測定装置の性能につき以
下に評価を試みる。
The evaluation of the performance of the three-dimensional shape measuring apparatus of the above embodiment will be attempted below.

先ず、位置測定の精度は光学系2の合焦状態判別分解能
と測長手段42の測定精度とにより定まる。たとえば、
対物レンズ20として焦点距離f=2.1mm,NA=0.
9のものを、レンズ10として焦点距離f1=6.6mm
のものを、レンズ24として焦点距離f2=85mmのも
のを用い、センサー26としてCCDセンサーアレイを用
いた場合には、第4図のグラフにおけるリニア部分の傾
きとして200〜1000mV/μmが得られ、更にこの
時のΔIの出力のノイズとして1〜2mV以下が達成され
る。これにより、光学系2の合焦状態判別分解能として
0.01〜0.02μmが得られる。また、測長手段4
2として格子干渉測長方式によるものを用いれば0.1
〜0.01μmの精度が達成される。尚、測長手段42
としては、その他光ヘテロダインの干渉方式によるもの
(たとえば、Hewlett Packard社のレーザー測長機、Op
lus E,1982年12月号p86〜)や、レーザー干渉
計の波数読取り方式によるもの等を用いることもでき、
これらによっても同様な精度が達成される。
First, the accuracy of position measurement is determined by the focus state determination resolution of the optical system 2 and the measurement accuracy of the length measuring means 42. For example,
The objective lens 20 has a focal length f = 2.1 mm and NA = 0.
A lens having a focal length of f 1 = 6.6 mm is used as the lens 10.
When a lens having a focal length of f 2 = 85 mm is used as the lens 24 and a CCD sensor array is used as the sensor 26, the linear portion in the graph of FIG. 4 has an inclination of 200 to 1000 mV / μm. Further, the noise of the output of ΔI at this time is 1 to 2 mV or less. As a result, a focus state determination resolution of the optical system 2 of 0.01 to 0.02 μm can be obtained. Also, the length measuring means 4
If 2 using the grating interferometry method is used as 2,
An accuracy of ˜0.01 μm is achieved. The length measuring means 42
Others include those using the optical heterodyne interference method (for example, a laser length measuring machine from Hewlett Packard, Op.
lus E, December 1982, p86-), laser interferometer wave number reading method, etc. can also be used.
Similar precision is achieved by these.

次に、位置測定のストロークはアクチュエーター40の
ストローク及び測長手段42のストロークにより決ま
る。上記の如き格子干渉測長方式、光ヘテロダイン干渉
方式、レーザー干渉計の波数読取り方式等はいづれも1
00mm以上の高ストロークを実現することができ、また
アクチュエーターも同様なストロークを実現できる。
Next, the stroke for position measurement is determined by the stroke of the actuator 40 and the stroke of the length measuring means 42. The grating interferometer length measurement method, the optical heterodyne interference method, the laser interferometer's wave number reading method, etc. are all 1
A high stroke of 00 mm or more can be achieved, and the actuator can also achieve a similar stroke.

更に、投光スポット径は対物レンズ20のNAにより定
まる。たとえば、対物レンズ20としてNA=0.8の
ものを用いれば光学系2の投光スポット径φはφ=2.
44Fλ≒2.38μm(ここで、 λ=0.78μmとした)となり、2μm程度のスポッ
ト計測が可能となる。尚、スポット径を大きくしたい場
合には光学系2の投光有効光束径を小さくして実効的な
光束のNAを小さくすればよい。
Further, the projected spot diameter is determined by the NA of the objective lens 20. For example, if the objective lens 20 having NA = 0.8 is used, the projected spot diameter φ of the optical system 2 is φ = 2.
44Fλ≈2.38 μm (where λ = 0.78 μm), and spot measurement of about 2 μm becomes possible. When it is desired to increase the spot diameter, the effective light beam diameter of the optical system 2 may be reduced to reduce the effective NA of the light beam.

また、傾斜角測定精度はセンサー38の位置検出精度に
より定まる。たとえば、センサー38の検出精度0.3
μmで、対物レンズ20の焦点距離f=3.3mmの場合
には約9″の傾斜角測定精度が実現できる。更に、傾斜
角の測定範囲としては、対物レンズ20としてNA=
0.5〜0.9のものを用いれば10〜30゜位まで測
定が可能となる。
Further, the inclination angle measurement accuracy is determined by the position detection accuracy of the sensor 38. For example, the detection accuracy of the sensor 38 is 0.3
When the focal length f of the objective lens 20 is 3.3 μm, a tilt angle measurement accuracy of about 9 ″ can be realized. Further, the tilt angle measurement range is NA =
If 0.5 to 0.9 is used, it is possible to measure up to about 10 to 30 degrees.

第6図は本発明の3次元形状測定装置の第2の実施例を
示す概略構成図である。本実施例装置においては傾斜角
測定光学系4の構成のみ上記第1の実施例と異なる。本
実施例の光学系4において、60は光源であり、62は
コリメーターレンズであり、64アパーチャーであり、
66はハーフミラーであり、67はバンドパスフィルタ
ーであり、68はレンズであり、70はミラーであり、
72及び74はレンズであり、76及び78は光学的セ
ンサーである。本光学系において、ミラー70は光軸X
を通る境界面により2分される2つのゾーンのうちの一
方(図においては下半分のゾーン)にのみ位置する。ま
た、アパーチャー64とミラー70とは対物レンズ20
及びレンズ68に関し共役に配置されている。即ち、ア
パーチャー64は対物レンズ20の焦点位置に配置され
ている。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus of the invention. In the apparatus of this embodiment, only the configuration of the tilt angle measuring optical system 4 is different from that of the first embodiment. In the optical system 4 of this embodiment, 60 is a light source, 62 is a collimator lens, and 64 is an aperture,
66 is a half mirror, 67 is a bandpass filter, 68 is a lens, 70 is a mirror,
72 and 74 are lenses, and 76 and 78 are optical sensors. In this optical system, the mirror 70 has an optical axis X.
It is located only in one of the two zones (the lower half zone in the figure) divided by the boundary plane passing through. In addition, the aperture 64 and the mirror 70 form the objective lens 20.
And the lens 68 are arranged in a conjugate manner. That is, the aperture 64 is arranged at the focal position of the objective lens 20.

本実施例の光学系4においては、被測定物50の表面が
光軸Xに垂直な面に対し傾斜を有していない場合には、
被測定物50の表面に当たって反射した光は対物レンズ
20の瞳位置で光軸Xと平行ずれなしにレンズ68に到
達する。この状態では、ミラー70により反射され、レ
ンズ72を経てセンサー76に到達する光量と、ミラー
70に入射しないでレンズ74を経てセンサー78に到
達する光量とは等しく、この際のセンサー76の出力と
センサー78の出力とを等しくしておく。被測定物50
の表面が光軸Xに垂直な面に対し傾斜を有している場合
には、被測定物50の表面に当たって反射した光は対物
レンズ20の瞳位置で光軸Xに対して平行ずれを生じレ
ンズ68に入射する。この状態ではミラー70で反射さ
れレンズ72を経てセンサー76に到達する光量とミラ
ー70に入射しないでレンズ74を経てセンサー78に
到達する光量とが異なり、センサー76と78との差動
出力を求めれば、その値から傾斜角を求めることができ
る。
In the optical system 4 of this embodiment, when the surface of the DUT 50 is not inclined with respect to the plane perpendicular to the optical axis X,
The light reflected by the surface of the DUT 50 reaches the lens 68 at the pupil position of the objective lens 20 without being displaced in parallel with the optical axis X. In this state, the amount of light reflected by the mirror 70 and reaching the sensor 76 via the lens 72 is equal to the amount of light reaching the sensor 78 via the lens 74 without entering the mirror 70. The output of the sensor 78 is made equal. DUT 50
When the surface of the object has an inclination with respect to the surface perpendicular to the optical axis X, the light which hits the surface of the DUT 50 and is reflected causes a parallel shift with respect to the optical axis X at the pupil position of the objective lens 20. It is incident on the lens 68. In this state, the amount of light that is reflected by the mirror 70 and reaches the sensor 76 via the lens 72 and the amount of light that does not enter the mirror 70 and reaches the sensor 78 via the lens 74 are different, and the differential output between the sensors 76 and 78 is obtained. If so, the inclination angle can be obtained from the value.

尚、以上の実施例においては、合焦状態判別光学系2は
合焦のため全体が移動する様になっている例を示した
が、光学系2はその一部のみが移動する様になっていて
もよい。第7図及び第8図はその様な光学系の一部を示
すものである。
In the above embodiments, the in-focus state determination optical system 2 is moved so that it is in focus. However, only a part of the optical system 2 is moved. May be. 7 and 8 show a part of such an optical system.

第7図の光学系2においては、対物レンズ20のみが光
軸Xに沿って移動可能である。そして測長手段の一部を
構成するコーナーキューブ80が該対物レンズ20に固
定されており、測長手段本体から発せられたレーザー光
が該コーナーキューブ80により反射されて測長手段本
体へと進行する。
In the optical system 2 shown in FIG. 7, only the objective lens 20 is movable along the optical axis X. A corner cube 80 forming a part of the length measuring means is fixed to the objective lens 20, and a laser beam emitted from the length measuring means main body is reflected by the corner cube 80 and travels to the length measuring means main body. To do.

第8図の光学系2においては、光源8のみがレンズ10
の光軸に沿って移動可能である。そして測長手段の一部
を構成するコーナーキューブ80が光源8に固定されて
いる。尚、この場合には光源8の移動量を対物レンズ2
0から投光される光束のフォーカシング位置の移動量に
換算する必要がある。
In the optical system 2 of FIG. 8, only the light source 8 is the lens 10
It is movable along the optical axis of. A corner cube 80 that constitutes a part of the length measuring means is fixed to the light source 8. In this case, the moving amount of the light source 8 is set to the objective lens 2
It is necessary to convert the moving amount of the light flux projected from 0 to the focusing position.

尚、第7図及び第8図の実施例においては可動部のみを
移動させるアクチュエーターが備えられているが、これ
は図示を省略した。
In the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, an actuator for moving only the movable portion is provided, but the illustration is omitted.

この様にして可動部を小さくすると、アクチュエーター
を小型化することができる。
By thus reducing the size of the movable portion, the actuator can be downsized.

以上の実施例においては自動合焦の方式としていわゆる
TTL-A2F(Through the Taking Lens Active Auto Focu
s)方式(テレビジョン学会誌,第35巻第8号,19
81年,p637〜)を用いた例を示したが自動合焦の
方式としては他の方式たとえばビデオのピックアップに
用いられている方式やカメラのオートフォーカスで使用
されている方式等を用いることもできる。
In the above embodiment, the so-called automatic focusing method is called
TTL-A 2 F (Through the Taking Lens Active Auto Focu
s) system (Journal of the Television Society, Vol. 35, No. 8, 19)
1981, p637-) was shown, but other methods such as a method used for video pickup or a method used for autofocus of a camera may be used as an automatic focusing method. it can.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の如き本発明の3次元形状測定装置によれば、高精
度,高ストロークにて微小スポットによる3次元形状測
定を高速にて行なうことができ、同時に同一特定位置の
被測定物表面の傾斜角測定をも行なうことができるの
で、3次元形状に関する正確な情報を短時間のうちに得
ることができる。
According to the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention as described above, it is possible to perform three-dimensional shape measurement with a minute spot with high accuracy and high stroke at high speed, and at the same time, the inclination angle of the surface of the measured object at the same specific position. Since the measurement can be performed, accurate information regarding the three-dimensional shape can be obtained in a short time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明装置の構成図であり、第2図及び第5図
はその部分図であり、第3図はセンサーの平面図であ
り、第4図はセンサーの出力のグラフであり、第6図は
本発明装置の構成図であり、第7図及び第8図は本発明
装置の部分構成図である。 2:合焦状態判別光学系、4:傾斜角測定光学系、6:
ケーシング、8,28,60:光源、20:対物レン
ズ、26,38,76,78:センサー、40:アクチ
ュエーター、42:測長手段、50:被測定物。
1 is a block diagram of the device of the present invention, FIGS. 2 and 5 are partial views thereof, FIG. 3 is a plan view of the sensor, and FIG. 4 is a graph of the output of the sensor, FIG. 6 is a block diagram of the device of the present invention, and FIGS. 7 and 8 are partial block diagrams of the device of the present invention. 2: Focus state determination optical system, 4: Inclination angle measurement optical system, 6:
Casing, 8, 28, 60: light source, 20: objective lens, 26, 38, 76, 78: sensor, 40: actuator, 42: length measuring means, 50: object to be measured.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】集光光を対象物方向に照射して該集光光の
集光位置と対象物との相対位置関係を判別する合焦状態
判別光学系と、該合焦状態判別光学系と少なくとも対物
レンズ近傍における光路を共有し且つ前記合焦状態判別
光学系と概略同じ集光位置に集光する集光光を対象物方
向に照射して該集光位置における対象物の傾斜角を測定
する傾斜角測定光学系と、前記合焦状態判別光学系と傾
斜角測定光学系から出射する光束の集光位置が移動させ
るための可動部と、該可動部の移動量を測定するための
手段とが設けられていることを特徴とする、3次元形状
測定装置。
1. A focused state determination optical system for irradiating a focused light toward a target to determine a relative positional relationship between the focused position of the focused light and the target, and the focused state determination optical system. And irradiating in the direction of the object with condensed light which shares an optical path at least in the vicinity of the objective lens and which is condensed at substantially the same condensing position as the focusing state determination optical system, and determines the inclination angle of the object at the condensing position. A tilt angle measuring optical system to measure, a movable part for moving a focusing position of a light beam emitted from the focusing state determination optical system and the tilt angle measuring optical system, and a moving part for measuring the moving amount of the movable part. And a means are provided.
【請求項2】更に前記合焦状態判別光学系を用いて判別
された合焦状態に基づき前記集光位置を対象物上に一致
させる様に前記可動部を駆動せしめるための制御手段が
設けられている、第1項の3次元形状測定装置。
2. A control means for driving the movable part so that the converging position is matched with the object based on the focus state determined by using the focus state determining optical system. The three-dimensional shape measuring apparatus according to the first item.
【請求項3】2つの光学系が異なる波長帯域の光源を有
し、且つ各光学系が該光学系の光源の発する波長帯域の
光を透過せしめ他の光学系の光源の発する波長帯域の光
を透過せしめないバンドパスフィルターを有する、第1
項の3次元形状測定装置。
3. Two optical systems have light sources of different wavelength bands, and each optical system transmits light of the wavelength band emitted by the light source of the optical system, and transmits light of the wavelength band emitted by the light sources of other optical systems. Having a bandpass filter that does not allow light to pass through
Three-dimensional shape measuring device of item.
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