JPH07239216A - 共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法 - Google Patents

共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法

Info

Publication number
JPH07239216A
JPH07239216A JP2836094A JP2836094A JPH07239216A JP H07239216 A JPH07239216 A JP H07239216A JP 2836094 A JP2836094 A JP 2836094A JP 2836094 A JP2836094 A JP 2836094A JP H07239216 A JPH07239216 A JP H07239216A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical path
light
measured
path length
reflected light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2836094A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3457047B2 (ja
Inventor
Keiji Nakajima
恵治 中嶋
Hitoshi Tanaka
田中  均
Noriyuki Kosaka
宣之 小坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP02836094A priority Critical patent/JP3457047B2/ja
Publication of JPH07239216A publication Critical patent/JPH07239216A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3457047B2 publication Critical patent/JP3457047B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共焦点光学系を用いた三次元計測装置におい
て、被計測物体を移動させることなく、高速,高精度に
三次元計測可能な手段を提供する。 【構成】 共焦点光学系を用いた三次元計測装置におい
て、一対のピンホール6と受光量検出器7を光軸方向に
移動させ、受光量検出器7の受光量が最大となる光路長
と予め設定された光路長と受光量の対応関係を示す特性
から被計測物体1の高さを演算するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば半導体ウエハ
等の被計測物体の凹凸を高精度,高速に計測する共焦点
型三次元計測装置及び高さ計測方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】図12は、例えば特開昭58−1934
07号公報に示された物体表面の高さ分布測定装置であ
り、図において、1は被計測物体、2は被計測物体1へ
の照射光及び被計測物体1からの反射光、3は被計測物
体1の高さが変化した時の被計測物体1への照射光及び
被計測物体1からの反射光、4は平行ビームを集束して
被計測物体1に照射すると共にその被計測物体からの反
射光2,3を集光する集光レンズ、5はその集光レンズ
4によって集光された反射光2,3を集束する結像レン
ズである。6は僅かな大きさの孔を有し、その結像レン
ズ5によって集束された反射光2,3を僅かに透過させ
るピンホール、7はそのピンホール6を介して受光した
反射光2,3の受光量を検出する受光量検出器である。
【0003】次に動作について説明する。図12に示し
たような高さ分布測定装置はレーザからの平行ビームを
集光レンズ4によって細く絞り、キューブミラー(図示
せず)の回転によって走査しながら被計測物体1に照射
し、その反射光2を再び集光レンズ4によって集光し、
結像レンズ5によって結像させる光学系において、その
反射光2の結像位置にピンホール6と受光量検出器7と
を配置することにより、被計測物体1の表面からの特定
の高さの反射光を選択的に受光し、被計測物体1の高さ
を光軸方向に移動させることによって被計測物体1の各
位置の高さを計測するものである。このような高さ分布
測定装置の光学系は共焦点光学系と呼ばれる。
【0004】図12を用いて、更に詳しくこの光学系を
用いた装置の動作原理について説明する。図12の実線
部で示すように被計測物体1の表面で集光されたレーザ
ビームスポットの反射光2は集光レンズ4によって集光
され、さらに結像レンズ5により再び1点に集束され
る。この集束点にピンホール6および受光量検出器7を
配置することにより、集光レンズ4で集められた反射光
の大部分がピンホール6を透過し受光量検出器7で受光
される。ところが破線部のように被計測物体1が光軸方
向にほんの僅かでもずれると、ピンホール6により反射
光3が遮断され、受光量検出器7で受光される反射光3
は実線部の反射光2に比べ極端に低下する。
【0005】この原理を用いて、計測したい被計測物体
1を光軸方向に段階的に移動させ、被計測物体1の表面
の各位置における受光量検出器7の受光量が最大を示す
高さを検出することにより被計測物体1の高さ分布を計
測することができる。尚、この時の高さ検出精度は、被
計測物体1を光軸方向に移動させる時の分解能で決ま
り、例えばピエゾ素子を用いたステージを使用した場
合、0.1μm程度の計測が可能である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の物体表面の高さ
分布測定装置は以上のように構成されているので、被計
測物体1を光軸方向に移動させながら計測する必要があ
るため、計測に時間がかかってしまい、又、光軸方向へ
の移動が困難な被計測物体1に対しては計測ができない
という問題点があった。更に、高さを高精度に検出した
い場合、被計測物体1を高精度に移動及び位置決め可能
なステージが必要となり、製作費用が高くなると共に、
特に被計測物体1が大きく重量のある場合は、高精度の
移動及び位置決め自体が困難になってしまい、高精度な
検出ができないなどの問題点があった。
【0007】請求項1から請求項9の発明は、上記のよ
うな問題点を解消するためになされたもので、光軸方向
への移動が困難な被計測物体であっても計測可能であ
り、又、高精度に計測可能な共焦点型三次元計測装置を
得ることを目的とする。
【0008】請求項10,11の発明は、光軸方向への
移動が困難な被計測物体であっても計測可能であり、
又、高精度に計測可能な高さ計測方法を提供することを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る共
焦点型三次元計測装置は、光路長を集光レンズ以降の光
路によって可変にする光路長可変手段と、その複数の異
なる光路長に対応した受光量検出器によって検出された
受光量と予め設定された光路長に対応した受光量の特性
とに基づいてその被計測物体の光軸方向の高さを演算す
る高さ演算器と、その被計測物体と照明光の集束位置を
光軸と垂直方向に相対的に移動させる集束位置移動手段
とを備えたものである。
【0010】請求項2の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、光路長を集光レンズ以降の光路によって可変に
する光路長可変手段と、受光量検出器によって検出され
た受光量が最大となる光路長に基づいてその被計測物体
の光軸方向の高さを演算する高さ演算器と、その被計測
物体と照明光の集束位置を光軸と垂直方向に相対的に移
動させる集束位置移動手段とを備えたものである。
【0011】請求項3の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、集束位置移動手段を、被計測物体を載せ光軸と
垂直な平面上を移動するステージとしたものである。
【0012】請求項4の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、被計測物体からの反射光の光路を複数に分割す
る分割反射ミラー群、その分割反射ミラー群にそれぞれ
対応して結像レンズ,ピンホール及び受光量検出器とを
設け、更に、そのピンホールを光軸方向にずらして設け
たものである。
【0013】請求項5の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、光路長可変手段を、被計測物体からの反射光の
光路を複数に分割する分割反射ミラー群と、その分割さ
れた光路のうち所定の光路のみ透過させる反射光遮光手
段と、その透過した反射光をピンホールを介して受光量
検出器に受光させる集光反射ミラー群としたものであ
る。
【0014】請求項6の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、光路長可変手段を、ピンホール及び受光量検出
器を光軸方向に移動自在な受光量検出器移動手段とした
ものである。
【0015】請求項7の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、光路長可変手段を、結像レンズによって集束さ
れた反射光を反射してピンホールを介して受光量検出器
に受光させる集光反射ミラー群と、光路長を可変にする
ようにそれら集光反射ミラー群を移動する集光反射ミラ
ー群移動手段としたものである。
【0016】請求項8の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、光路長可変手段を、結像レンズによって集束さ
れた反射光の光路上に設けられ、空気に対して屈折率が
異なり且つ厚みが可変自在な光学素子としたものであ
る。
【0017】請求項9の発明に係る共焦点型三次元計測
装置は、集束位置移動手段を、照明光を光軸に対して垂
直方向に移動させ被計測物体を走査する照明光走査ミラ
ー群としたものである。
【0018】請求項10の発明に係る高さ計測方法は、
集光レンズからピンホールまでの光路長を変化させ、複
数の異なる光路長に対応したそのピンホールを介して受
光した受光量と光路長に対応した受光量の特性とに基づ
いてその被計測物体の光軸方向の高さを演算するもので
ある。
【0019】請求項11の発明に係る高さ計測方法は、
集光レンズからピンホールまでの光路長を変化させ、受
光量が最大となる光路長に基づいてその被計測物体の光
軸方向の高さを演算するものである。
【0020】
【作用】請求項1の発明における共焦点型三次元計測装
置は、被計測物体からピンホールまでの光路長を変化さ
せた場合に、結像レンズによる結像位置がずれ、上記ピ
ンホールを透過する光量が変化することを利用したもの
であり、光路長可変手段による複数の異なる光路長に対
応して検出された受光量と予め設定された光路長に対応
した受光量の特性とに基づいて、その被計測物体の光軸
方向の高さを高さ演算器によって演算する。又、集束位
置移動手段により、その被計測物体と照明光の集束位置
を光軸と垂直方向に相対的に移動させ、集光レンズはそ
れら被計測物体の反射光を集光することにより、三次元
計測を可能とする。更に、上記光路長可変手段において
特に、結像レンズ以降の光路によって光路長を可変にす
れば、従来技術のような被計測物体の位置決めに対し
て、結像レンズの倍率をnとすれば、n2 倍分解能を良
好にする。更に、被計測物体を光軸方向へ移動させる必
要がなく、光軸方向への移動が困難な被計測物体であっ
ても計測可能にする。
【0021】請求項2の発明における共焦点型三次元計
測装置は、受光量検出器によって検出された受光量が最
大となる光路長に基づいて、その被計測物体の光軸方向
の高さを高さ演算器によって演算する。従って、複数の
異なる光路長に対する計測が必要な装置に比べて検出精
度を高める。
【0022】請求項3の発明における共焦点型三次元計
測装置は、集束位置移動手段を、被計測物体を移動する
ステージとすることにより、複雑な照明光走査ミラー群
を不要とし、又、被計測物体の広範囲の移動を可能にす
る。
【0023】請求項4の発明における共焦点型三次元計
測装置は、ピンホールを光軸方向にずらして設けること
により、ピンホールの光軸方向への移動を不要にする。
【0024】請求項5の発明における共焦点型三次元計
測装置は、光路長可変手段を、分割反射ミラー群と、反
射光遮光手段と、集光反射ミラー群とで構成することに
より、複数の異なる光路長に対する計測を受光量検出器
を1台のみで可能にする。
【0025】請求項6の発明における共焦点型三次元計
測装置は、ピンホール及び受光量検出器自体を移動する
ので、結像ミラーからピンホールまでの光路に集光反射
ミラー群等を全く配置する必要がなくなり、乱反射等に
よる計測精度の低下を防ぐ。
【0026】請求項7の発明における共焦点型三次元計
測装置は、集光反射ミラー群により結像レンズからの反
射光を反射させるので、僅かな集光反射ミラー群の移動
で大きく光路長を可変にすることを可能にする。
【0027】請求項8の発明における共焦点型三次元計
測装置は、光路長可変手段を屈折率が異なる光学素子と
することにより、集光反射ミラー群等の大がかりな構成
を不要とする。又、光学素子の厚みの可変時の移動も小
さくてすむ。
【0028】請求項9の発明における共焦点型三次元計
測装置は、集束位置移動手段を、被計測物体を走査する
照明光走査ミラー群とすることにより、ステージによる
被計測物体の移動よりも高速な走査を可能にする。
【0029】請求項10の発明における高さ計測方法
は、結像レンズ以降の光路によって光路長を可変にする
ことにより、従来技術のような被計測物体の位置決めに
対して、結像レンズの倍率をnとすれば、n2 倍分解能
を良好にする。又、被計測物体を光軸方向へ移動させる
必要がなく、光軸方向への移動が困難な被計測物体であ
っても計測可能にする。
【0030】請求項11の発明における高さ計測方法
は、受光量が最大となる光路長に基づいて、その被計測
物体の光軸方向の高さを演算するので、複数の異なる光
路長に対する計測が必要な方法に比べて、検出精度を高
める。
【0031】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1は請求項1,3,4及び10の発明の実施例
による共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す
構成図であり、図において、1は被計測物体、2は被計
測物体1への照明光及び被計測物体1からの反射光、4
は照明光2を集束して被計測物体1に照射すると共にそ
の被計測物体1からの反射光2を集光する集光レンズで
ある。5a〜5cは集光レンズ4によって集光された反
射光2を集束する複数の結像レンズ、6a〜6cはその
複数の結像レンズ5a〜5cにそれぞれ対応して、且つ
光軸方向にずらして設けられた複数のピンホール、7a
〜7cは結像レンズ5a〜5cによって集束された反射
光をピンホール6a〜6cを介して受光しその受光量を
検出する複数の受光量検出器である。
【0032】8は照射光を放出するレーザ、9は照射光
を平行光にするコリメーター、10は平行光となった照
射光中のP偏向成分のみ反射する偏向ビームスプリッ
タ、11は照射光中のP偏向成分を直線偏向の光にする
λ/4板である。12a〜12cは集光レンズ4によっ
て集光されλ/4板11,偏向ビームスプリッタ10を
通過した反射光の光路を複数に分割するビームスプリッ
タ及び反射ミラー(分割反射ミラー群)、13は複数の
受光量検出器7a〜7cによって検出された受光量と図
3に示すように、予め設定された光路長に対応した受光
量の特性とに基づいて被計測物体1の光軸方向の高さを
演算し、三次元形状表示部17に出力する高さ演算器、
14,15は被計測物体1を載せ光軸と垂直な平面上を
移動するXステージ及びYステージ、16はXステージ
14及びYステージ15を駆動すると共に、駆動位置を
三次元形状表示部17に出力するXYステージ駆動部で
ある。尚、Xステージ14,Yステージ15及びXYス
テージ駆動部16により、集束位置移動手段を構成す
る。又、三次元形状表示部17はXYステージ駆動部1
6からの被計測物体1のXY方向と高さ演算器13から
の被計測物体1の光軸方向の高さ、即ち、Z方向とから
被計測物体1の三次元形状を表示する。
【0033】次に動作について説明する。図2は高さ計
測の際の基本原理を説明する説明図であり、説明を容易
にするために光学系を等価的に倍率n,焦点距離fのレ
ンズで表す。近軸理論で考えると、図で示す寸法の関係
は、 1/a+1/b=1/f ・・・・(1) で表される。また、倍率nは、 n=b/a ・・・・(2) である。今、aの距離が微少変化したときのbの変化を
考えると、bをaで微分し、計算を行うと、 db/da=−n2 ・・・・(3) となる。例えば、高さ計測を0.1μmの分解能で行う
時、倍率100倍のレンズを用いれば、aの距離変化
0.1μmに対し、bでの変化は0.1×1002μ
m、即ち1mmとなる。これは、高さ計測を行うとき
に、被計測物体を移動させてaの距離を変えるよりもピ
ンホールを移動させてbの距離を変化させる方が移動に
対する位置決めが容易であることを示している。又、更
にピンホール移動を精密に行うことにより、被計測物体
を移動させるよりも分解能を向上させることができるこ
とを示している。
【0034】このようにピンホールを移動させ光学系の
光路長を変化させることにより、計算で被計測物体の光
軸方向の位置(即ち被計測物体の高さ)を高精度に演算
することができ、被計測物体を高さ方向に移動させる動
作が不要になる。又、図3に示すように予めピンホール
の移動量(光路長)と受光量検出器に検出される受光量
の関係を求めておけば、光路長を変えた複数の光路の受
光量から求めた光路長と受光量の関係を用いて受光量が
最大となる光路長が求まり、高速に高さを演算すること
ができる。
【0035】次に図1の構成の動作について更に詳しく
説明する。図1において、光源としてのレーザ8はコリ
メーター9により平行光となり偏向ビームスプリッタ1
0に入射する。偏向ビームスプリッタ10はP偏向成分
のみ反射し、λ/4板11によって直線偏向の照射光と
なり、集光レンズ4により被計測物体1上で一点に集束
される。被計測物体1からの反射光2は再び集光レンズ
3により集光され、λ/4板11を通過することにより
S偏向の光となる。
【0036】更に、偏向ビームスプリッタ10を通過し
たこの反射光2を例えば、2個のビームスプリッタ12
a,12bで3分割する。まず、ビームスプリッタ12
aで1:2に反射光2を分割し、次に、2/3に光量を
分割された反射光をビームスプリッタ12bで更に光量
が1:1になるように分割する。こうして3分割された
反射光をそれぞれ結像レンズ5a〜5cで集束させる。
この時、各光路で結像位置に対してピンホール6a〜6
cをそれぞれずらして配置し、各ピンホール6a〜6c
に対して受光量検出器7a〜7cを設ける。こうするこ
とにより各ピンホール6a〜6cで遮断される光量が変
化し、受光量検出器7a〜7cではそれぞれ異なった受
光量の信号が得られる。ピンホール6a〜6cのずれに
対する受光量検出器7a〜7cに入る受光量の関係を予
め図3のように求めておき、ピンホール6a〜6cのず
れ量に相当する各受光量検出器7a〜7cの受光量から
高さ演算部13で予め求めた関係を用いて、受光量の最
大となる位置、即ち、結像レンズ5a〜5cによる反射
光の結像位置を決定する。
【0037】この結像位置から被計測物体1の高さの演
算を行い、高さ情報を三次元形状表示部17に出力す
る。被計測物体1はXステージ14、Yステージ15に
よって光軸に対して垂直な面で走査され、この位置をX
Yステージ駆動部16から三次元形状表示部17に出力
することにより、XY位置に同期した高さ情報が得ら
れ、被計測物体1の三次元形状を計測し表示することが
できる。
【0038】このように、結像レンズ5a〜5c以降の
光路によって光路長を可変にする構成にしたので、分解
能を良好にし高精度な計測ができる。又、被計測物体1
を光軸方向に移動させる必要がなく、光軸方向への移動
が困難な被計測物体1であっても計測できる。更に、ピ
ンホール6a〜6cを光軸方向にずらして設けるように
構成したので、ピンホール6a〜6cの光軸方向への移
動を不要にし、計測速度を速くすることができる。
【0039】実施例2.実施例1においては、反射光を
分割して各光路に結像レンズ5a〜5c,ピンホール6
a〜6c及び受光量検出器7a〜7cを設けたが、これ
を反射光の光路長をミラーによって変え、スイッチによ
って光路を選択し、一対のピンホール6と受光量検出器
7で受光量を検出するようにしても実現できる。図4は
請求項1,3,5,10の発明の実施例による共焦点型
三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図であり、
図において、19は分割された反射光の光路のうち所定
の光路の反射光のみ透過させる遮光板、20は遮光板1
9を移動させる遮光板移動機構、21は遮光板移動機構
20を制御し遮光板19の位置を制御すると共に遮光板
19の位置を高さ演算部13に出力する遮光板位置制御
部であり、上記遮光板19,遮光板移動機構20及び遮
光板位置制御部22により反射光遮光手段を構成する。
22a,22bはビームスプリッタ、23a,23bは
反射ミラーであり、集光反射ミラー群を構成する。
【0040】次に動作について説明する。実施例1で3
分割した反射光を遮光板19で光路を遮断することによ
って、3つの光路中1つだけの光路が選択できるように
する。遮光板19には一部分にのみ光を透過できる開口
部を設けておき、この開口部をステージのような遮光板
移動機構20により各光路へ移動させる。選択された光
路の反射光は反射ミラー23a,23bやビームスプリ
ッタ22a,22bによりピンホール6、受光量検出部
7に達する。ビームスプリッタの反射光と透過光の比は
各光路を選択したときに減衰率が変わらないようにビー
ムスプリッタ22aを1:1にビームスプリッタ22b
を1:2になるように構成する。こうして高さ演算器1
3では、受光量検出部7から得られた受光量信号と遮光
板位置制御部21から得られた遮光板19の位置情報か
ら各光路長に対応した受光量が得られ、実施例1と同様
にして三次元情報が得られる。
【0041】このように、実施例1では高価な受光量検
出器を3台用いたが、この実施例2では1台で済ませる
ことができ、安価に構成できる。
【0042】実施例3.実施例2では、光路を遮光板1
9にて選択したが、光スイッチにより選択してもよい。
図5は請求項1,3,5,10の発明の実施例による共
焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図で
あり、図において、24a〜24cは光路に設けられた
電気光学素子と偏光子を組み合わせた光スイッチ、25
は光スイッチ24a〜24cのオン動作を選択すると共
に、オン状態の光スイッチ24a〜24cを高さ演算部
13に出力する光スイッチ制御部であり、光スイッチ2
4a〜24c,光スイッチ制御部25により反射光遮光
手段を構成する。
【0043】次に動作について説明する。図6は光スイ
ッチの動作を説明する説明図である。偏光子a26によ
ってS偏光の反射光は偏光状態が直線偏光に変えられ
る。図6(a)に示すように、電気光学素子27に対す
る印加電圧が0の時は、直線偏光の偏光方向は変わらな
いので、偏光子b28を透過することはできない。しか
し、図6(b)に示すように、電気光学素子27の印加
電圧を半波長電圧にすると直線偏光の偏光方向が90゜
回転し、偏光子b28を透過するようになる。この素子
を各光路に入れ、光スイッチ制御部25により印加電圧
をオン,オフ制御することにより光路選択を行うことが
できる。
【0044】このように、実施例2では遮光板19を移
動して選択したが、光スイッチ24a〜24cにより選
択することにより選択速度を速め、従って、計測速度を
速めることができる。
【0045】実施例4.実施例1〜3においては、複数
の光路長に対応した受光量から被計測物体の高さを計測
したが、受光量が最大となる光路長を検出することによ
って被計測物体の高さを計測することができる。図7は
請求項2,3,6,11の発明の実施例による共焦点型
三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図であり、
図において、29はピンホール6及び受光量検出器7を
光軸方向に移動自在なZステージ、30はZステージ2
9を移動させると共に、その移動量を高さ演算器31に
出力するZステージ駆動部であり、Zステージ29及び
Zステージ駆動部30により受光量検出器移動手段を構
成する。尚、高さ演算器31は受光量が最大となる光路
長に基づいて被計測物体1の光軸方向の高さを演算する
ものである。
【0046】次に動作について説明する。偏向ビームス
プリッタ10を通過した被計測物体1からの反射光2を
結像レンズ5により一点に結像させる。光軸上に置かれ
た一対のピンホール6と受光量検出器7を光軸に沿って
Zステージ29により移動させると、受光量検出器7に
より検出される受光量は図3に示す曲線のように変化す
る。そこで、図7のようにピンホール6と受光量検出器
7を光軸に沿って移動させ、高さ演算器31でZステー
ジ駆動部30からZステージ29の位置情報を得ながら
検出受光量を比較していき、この値が最大となる光路長
を検出する。この光路長が結像位置となり、この光路長
から計算により被計測物体1の光軸方向の高さを演算す
る。更に、XYステージ14,15により被計測物体1
を移動させ、XYステージ駆動部16からのXYステー
ジの位置情報とその時の被計測物体1の高さから三次元
形状表示部17で三次元形状を計測、表示することがで
きる。
【0047】このように、実施例1〜3ではミラー群等
を配置したが、この実施例4ではピンホール6及び受光
量検出器7を光軸方向に移動する構成にしたので、上記
ミラー群等を全く配置する必要がなく、ミラー群等の乱
反射等による計測精度の低下を防ぐことができる。
【0048】実施例5.実施例4においては結像レンズ
5からピンホール6までの光路をピンホール6,受光量
検出器7を移動させることにより変化させていたが、反
射ミラーを移動させてもよい。図8は請求項2,3,
7,11の発明の実施例による共焦点型三次元計測装置
及び高さ計測方法を示す構成図であり、図において、3
2は結像レンズ5によって集束された反射光を反射し、
ピンホール6を介して受光量検出器7に受光させる反射
ミラー(集光反射ミラー群)であり、この反射ミラー3
2はZステージ(集光反射ミラー群移動手段)29によ
り移動される。
【0049】次に動作について説明する。Zステージ2
9により反射ミラー32を移動させ、結像レンズ5から
ピンホール6までの光路長を変化させる。この時のZス
テージ29の位置情報より求めた光路長から実施例4と
同様にして被計測物体1の高さを計測することができ
る。
【0050】このように、この実施例5では反射光を反
射ミラー32で反射させる構成なので、少ない反射ミラ
ー32の移動量で計測することができる。
【0051】実施例6.実施例5において結像レンズ5
からピンホール6までの光路長を変化させる手段は、反
射ミラー32を移動させることにより実現したが、屈折
率が異なり厚みが可変自在な光学素子を配置してもよ
い。図9は請求項2,3,8,11の発明の実施例によ
る共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成
図であり、図において、33は結像レンズ5によって集
束された反射光の光路上に設けられ、空気に対して屈折
率が異なり且つ厚みが可変自在なガラス(光学素子)、
34はガラス33をスライドさせると共に、高さ演算器
31にガラス33のスライド量に応じた光路長の変化を
出力する光学素子駆動部である。
【0052】次に動作について説明する。結像レンズ5
とピンホール6の間にガラス33のような光を透過する
物体を置いて、その厚さを変化させることにより光路長
を変化させる。光が例えばガラス33中を距離tだけ通
過するすれば、ガラス33の屈折率をnとすると(n−
1)×tだけ空気中を進むより光路長が変化する。図で
矢印のようにガラス33を光学素子駆動部34により斜
め方向に移動させると光が通過する部分のガラス33の
厚さが変化し、光路長の変化が生じる。従ってこのガラ
ス33の位置情報を光学素子駆動部34から得ることに
より光路長が算出でき、実施例5と同様にして被計測物
体1の高さを計測することができる。
【0053】又、ガラスの厚さを変化させる手段として
は、図10(b)に示すようなt1からtm の厚さ分布
をもつガラス円盤(光学素子)35を、図10(a)に
示すようなθステージ36により回転させ、θステージ
制御部37でガラス厚を制御する手段も考えられる。こ
の場合は、ガラス(光学素子)の厚さを変化させている
が、屈折率の異なる光学素子を組み合わせれば、屈折率
変化によっても同様の効果が得られる。
【0054】このように、この実施例6では光学素子の
厚さ及び屈折率で光路長を変化させる構成なので、ミラ
ー群等の大がかりな構成を不要とし、構成が小型にでき
る。又、光学素子の厚みの可変時の移動量も小さくする
ことができる。
【0055】実施例7.実施例4から6では、光路長を
連続的に移動させ、受光量検出器7に入る受光量が最大
となる光路長の検出をしているが、このような光路長変
化機構を用いて、数点の光路長、光検出器の受光量のデ
ータの組み合わせから実施例1から3のように計算によ
り結像位置を算出することもできる。
【0056】実施例8.実施例1から実施例7では、X
Yステージ14,15のXY方向の移動により被計測物
体1を三次元計測したが、被計測物体1を静止状態にし
て、照明光を被計測物体1上で走査することによっても
三次元計測することができる。図11は請求項1,2,
9,10,11の発明の実施例による共焦点型三次元計
測装置及び高さ計測方法を示す構成図であり、図におい
て、38,39は偏光ビームスプリッタ10で反射され
た照射光を光軸に対して垂直方向に移動させ被計測物体
1を走査するX方向ガルバノミラー,Y方向ガルバノミ
ラー(照明光走査ミラー群)である。
【0057】次に動作について説明する。偏光ビームス
プリッタ10で反射された照射光をX方向ガルバノミラ
ー38およびY方向ガルバノミラー39で走査し、この
走査情報と同期させて各点の高さを計測することにより
三次元情報が得られる。
【0058】このように、この実施例8では、X方向ガ
ルバノミラー38およびY方向ガルバノミラー39で走
査する構成なので、ステージによる被計測物体1の移動
よりも高速に走査をすることができ、計測速度を速く、
三次元計測することができる。以上実施例について説明
してきたが、実施例中で複数の光路長と受光量の関係か
ら、計算により受光量の最大となる光路長を求めるもの
では、3つの光路長から求めたが、一般的にはこの光路
長数を多くしていった方が検出精度が向上する。また、
高さ計測を実現する上で被計測物体1側にも上下機構を
設け、被計測物体1側の上下位置情報と組み合わせて実
施することが可能なことはいうまでもない。
【0059】
【発明の効果】以上のように、請求項1の発明によれ
ば、光路長可変手段により、光路長を集光レンズ以降の
光路によって可変にし、高さ演算器により、複数の異な
る光路長に対応して検出された受光量と予め設定された
光路長に対応した受光量の特性とに基づいて被計測物体
の光軸方向の高さを演算し、更に、集束位置移動手段に
より、被計測物体と照明光の集束位置を光軸と垂直方向
に相対的に移動させるように構成したので、被計測物体
の高さを三次元計測することができる。又、上記光路長
可変手段において特に、結像レンズ以降の光路によって
光路長を可変すれば、分解能を良好にし、高精度な計測
ができる。更に、被計測物体を光軸方向へ移動させる必
要がなく、光軸方向への移動が困難な被計測物体であっ
ても計測できる効果がある。
【0060】請求項2の発明によれば、高さ演算器によ
り、検出された受光量が最大となる光路長に基づいて被
計測物体の光軸方向の高さを演算するように構成したの
で、検出精度を高めることができる。更に、構成を簡単
にすることができる効果がある。
【0061】請求項3の発明によれば、集束位置移動手
段として、被計測物体を移動するステージを用いるよう
に構成したので、照明光側を走査する複雑な照明光走査
ミラー群を必要とすることなく、簡単な構成で三次元計
測することができる。又、照明光走査ミラー群による被
計測物体への走査に比べて広範囲に移動することがで
き、大きな被計測物体であっても三次元計測することが
できる効果がある。
【0062】請求項4の発明によれば、ピンホールを光
軸方向にずらして設けるように構成したので、ピンホー
ルの光軸方向への移動を不要にし、計測速度を速くする
ことができる効果がある。
【0063】請求項5の発明によれば、光路長可変手段
を、分割反射ミラー群と、反射光遮光手段と、集光反射
ミラー群とで構成したので、複数の異なる光路長の計測
を受光量検出器を1台のみで可能にし、構成を簡単に、
又、安価にすることができる効果がある。
【0064】請求項6の発明によれば、光路長可変手段
を、ピンホール及び受光量検出器を光軸方向に移動自在
な受光量検出器移動手段とするように構成したので、受
光量の検出の際にピンホール及び受光量検出器自体を移
動するだけでよく、結像ミラーからピンホールまでの光
路に集光反射ミラー群等を全く配置する必要がなくな
り、乱反射等による計測精度の低下を防ぐことができる
効果がある。
【0065】請求項7の発明によれば、光路長可変手段
を、結像レンズによって集束された反射光を反射しピン
ホールを介して受光量検出器に受光させる集光反射ミラ
ー群とするように構成したので、僅かな集光反射ミラー
群の移動で大きく光路長を可変にすることができる効果
がある。
【0066】請求項8の発明によれば、光路長可変手段
を、結像レンズによって集束された反射光の光路上に設
けられ、空気に対して屈折率が異なり且つ厚みが可変自
在な光学素子とするように構成したので、集光反射ミラ
ー群等の大がかりな構成を不要とし、構成を小型にでき
る。又、光学素子の厚みの可変時の移動も小さくするこ
とができる効果がある。
【0067】請求項9の発明によれば、集束位置移動手
段を、照明光を光軸に対して垂直方向に移動させ被計測
物体を走査する照明光走査ミラー群とするように構成し
たので、ステージによる被計測物体の移動よりも高速に
走査をすることができ、計測速度を速く、三次元計測す
ることができる効果がある。
【0068】請求項10の発明によれば、集光レンズか
らピンホールまでの光路長を変化させる構成なので、分
解能を良好にし、高精度な計測ができる。更に、被計測
物体を光軸方向へ移動させる必要がなく、光軸方向への
移動が困難な被計測物体であっても計測できる効果があ
る。
【0069】請求項11の発明によれば、受光量が最大
となる光路長に基づいて、被計測物体の光軸方向の高さ
を演算するように構成したので、複数の異なる光路長の
計測が必要な方法に比べて、検出精度を高めることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1,3,4,10の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。
【図2】高さ計測の際の基本原理を説明する説明図であ
る。
【図3】光路長と受光量の対応関係を示す特性図であ
る。
【図4】請求項1,3,5,10の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。
【図5】請求項1,3,5,10の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。
【図6】光スイッチの構成図である。
【図7】請求項2,3,6,11の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。
【図8】請求項2,3,7,11の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。
【図9】請求項2,3,8,11の発明の実施例による
共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成図
である。
【図10】請求項2,3,8,11の発明の実施例によ
る共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成
図である。
【図11】請求項1,2,9,11の発明の実施例によ
る共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法を示す構成
図である。
【図12】従来の物体表面の高さ分布測定装置を示す構
成図である。
【符号の説明】
1 被計測物体 2 照明光,反射光 4 集光レンズ 5,5a〜5c 結像レンズ 6,6a〜6c ピンホール 7,7a〜7c 受光量検出器 12a,12b ビームスプリッタ(分割反射ミラー
群,光路長可変手段) 12c 反射ミラー(分割反射ミラー群,光路長可変手
段) 13,31 高さ演算器 14 Xステージ(ステージ,集束位置移動手段) 15 Yステージ(ステージ,集束位置移動手段) 16 XYステージ駆動部(集束位置移動手段) 19 遮光板(反射光遮光手段,光路長可変手段) 20 遮光板移動機構(反射光遮光手段,光路長可変手
段) 21 遮光板位置制御部(反射光遮光手段,光路長可変
手段) 22a,22b ビームスプリッタ(集光反射ミラー
群,光路長可変手段) 23a,23b,32 反射ミラー(集光反射ミラー
群,光路長可変手段) 24a〜24c 光スイッチ(反射光遮光手段,光路長
可変手段) 25 光スイッチ制御部(反射光遮光手段,光路長可変
手段) 26 電気光学素子 29 Zステージ(受光量検出器移動手段,集光反射ミ
ラー群移動手段,光路長可変手段) 30 Zステージ駆動部(受光量検出器移動手段,集光
反射ミラー群移動手段,光路長可変手段) 33 ガラス(光学素子,光路長可変手段) 35 ガラス円盤(光学素子,光路長可変手段) 38 X方向ガルバノミラー(照明光走査ミラー群,集
束位置移動手段) 39 Y方向ガルバノミラー(照明光走査ミラー群,集
束位置移動手段)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 照明光を集束して被計測物体に照射する
    と共にその被計測物体からの反射光を集光する集光レン
    ズと、その集光レンズによって集光された反射光を集束
    する結像レンズと、その結像レンズによって集束された
    反射光をピンホールを介して受光しその受光量を検出す
    る受光量検出器と、上記集光レンズから上記ピンホール
    までの光路長を可変にする光路長可変手段と、複数の異
    なる光路長に対応した上記受光量検出器によって検出さ
    れた受光量と予め設定された光路長に対応した受光量の
    特性とに基づいて上記被計測物体の光軸方向の高さを演
    算する高さ演算器と、上記被計測物体と照明光の集束位
    置を光軸と垂直方向に相対的に移動させる集束位置移動
    手段とを備えた共焦点型三次元計測装置。
  2. 【請求項2】 照明光を集束して被計測物体に照射する
    と共にその被計測物体からの反射光を集光する集光レン
    ズと、その集光レンズによって集光された反射光を集束
    する結像レンズと、その結像レンズによって集束された
    反射光をピンホールを介して受光しその受光量を検出す
    る受光量検出器と、上記集光レンズから上記ピンホール
    までの光路長を可変にする光路長可変手段と、上記受光
    量検出器によって検出された受光量が最大となる光路長
    に基づいて上記被計測物体の光軸方向の高さを演算する
    高さ演算器と、上記被計測物体と照明光の集束位置を光
    軸と垂直方向に相対的に移動させる集束位置移動手段と
    を備えた共焦点型三次元計測装置。
  3. 【請求項3】 集束位置移動手段は、被計測物体を載せ
    光軸と垂直な平面上を移動するステージであることを特
    徴とする請求項1又は2記載の共焦点型三次元計測装
    置。
  4. 【請求項4】 照明光を集束して被計測物体に照射する
    と共にその被計測物体からの反射光を集光する集光レン
    ズと、その集光レンズによって集光された反射光の光路
    を複数に分割する分割反射ミラー群と、その分割反射ミ
    ラー群にそれぞれ対応して設けられその分割反射ミラー
    群によって分割された反射光を集束する複数の結像レン
    ズと、その複数の結像レンズにそれぞれ対応して、且つ
    光軸方向にずらして設けられた複数のピンホールと、上
    記複数の結像レンズによって集束された反射光をそれぞ
    れ複数のピンホールを介して受光しそれら受光量を検出
    する複数の受光量検出器と、上記複数の受光量検出器に
    よって検出された受光量と予め設定された光路長に対応
    した受光量の特性とに基づいて上記被計測物体の光軸方
    向の高さを演算する高さ演算器と、上記被計測物体と照
    明光の集束位置を光軸と垂直方向に相対的に移動させる
    集束位置移動手段とを備えた共焦点型三次元計測装置。
  5. 【請求項5】 光路長可変手段は、結像レンズによって
    集束された反射光の光路を複数に分割する分割反射ミラ
    ー群と、その分割された反射光の光路のうち所定の光路
    の反射光のみ透過させる反射光遮光手段と、その反射光
    遮光手段を透過した反射光をピンホールを介して受光量
    検出器に受光させる集光反射ミラー群とを備えたことを
    特徴とする請求項1記載の共焦点型三次元計測装置。
  6. 【請求項6】 光路長可変手段は、ピンホール及び受光
    量検出器を光軸方向に移動自在な受光量検出器移動手段
    を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の共焦点
    型三次元計測装置。
  7. 【請求項7】 光路長可変手段は、結像レンズによって
    集束された反射光を反射しピンホールを介して受光量検
    出器に受光させる集光反射ミラー群と、被計測物体から
    上記ピンホールまでの光路長を可変にするように上記集
    光反射ミラー群を移動する集光反射ミラー群移動手段と
    を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の共焦点
    型三次元計測装置。
  8. 【請求項8】 光路長可変手段は、結像レンズによって
    集束された反射光の光路上に設けられ、空気に対して屈
    折率が異なり且つ厚みが可変自在な光学素子を備えたこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載の共焦点型三次元計
    測装置。
  9. 【請求項9】 集束位置移動手段は、照明光を光軸に対
    して垂直方向に移動させ被計測物体を走査する照明光走
    査ミラー群を備えたことを特徴とする請求項1又は2記
    載の共焦点型三次元計測装置。
  10. 【請求項10】 集光レンズによって照明光を集束させ
    て被計測物体に照射すると共にその被計測物体からの反
    射光を集光させ、結像レンズによってその集光された反
    射光を集束させ、更にピンホールを介してその集束され
    た反射光の受光量を検出して、その検出された受光量に
    基づいて上記被計測物体の高さを計測する高さ計測方法
    において、上記集光レンズから上記ピンホールまでの光
    路長を変化させ、複数の異なる光路長に対応したそのピ
    ンホールを介して受光した受光量と光路長に対応した受
    光量の特性とに基づいてその被計測物体の光軸方向の高
    さを演算することを特徴とする高さ計測方法。
  11. 【請求項11】 集光レンズによって照明光を集束させ
    て被計測物体に照射すると共にその被計測物体からの反
    射光を集光させ、結像レンズによってその集光された反
    射光を集束させ、更にピンホールを介してその集束され
    た反射光の受光量を検出して、その検出された受光量に
    基づいて上記被計測物体の高さを計測する高さ計測方法
    において、上記集光レンズから上記ピンホールまでの光
    路長を変化させ、受光量が最大となる光路長に基づいて
    その被計測物体の光軸方向の高さを演算することを特徴
    とする高さ計測方法。
JP02836094A 1994-02-25 1994-02-25 共焦点型三次元計測装置 Expired - Fee Related JP3457047B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP02836094A JP3457047B2 (ja) 1994-02-25 1994-02-25 共焦点型三次元計測装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP02836094A JP3457047B2 (ja) 1994-02-25 1994-02-25 共焦点型三次元計測装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH07239216A true JPH07239216A (ja) 1995-09-12
JP3457047B2 JP3457047B2 (ja) 2003-10-14

Family

ID=12246459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP02836094A Expired - Fee Related JP3457047B2 (ja) 1994-02-25 1994-02-25 共焦点型三次元計測装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3457047B2 (ja)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09113236A (ja) * 1995-10-16 1997-05-02 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 三次元計測方法および表示方法、ならびに三次元計測装置
JPH1172308A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Olympus Optical Co Ltd 高さ測定方法及びその装置
JP2009210471A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Canon Machinery Inc 画像処理システム及び画像処理方法
JP2012002703A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Mori Seiki Co Ltd 変位検出装置
JP2012173246A (ja) * 2011-02-24 2012-09-10 Fujifilm Corp 光音響画像化装置
JP2012229958A (ja) * 2011-04-25 2012-11-22 Disco Abrasive Syst Ltd 3次元計測装置
CN105841616A (zh) * 2016-05-18 2016-08-10 合肥图迅电子科技有限公司 电子元件封装后双头管脚及塑封体视觉检测系统
WO2018168635A1 (ja) * 2017-03-13 2018-09-20 株式会社モリタ製作所 三次元スキャナ、およびプローブ

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09113236A (ja) * 1995-10-16 1997-05-02 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 三次元計測方法および表示方法、ならびに三次元計測装置
JPH1172308A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Olympus Optical Co Ltd 高さ測定方法及びその装置
JP2009210471A (ja) * 2008-03-05 2009-09-17 Canon Machinery Inc 画像処理システム及び画像処理方法
TWI499754B (zh) * 2010-06-17 2015-09-11 Dmg Mori Seiki Co Ltd 位移偵測裝置
JP2012002703A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Mori Seiki Co Ltd 変位検出装置
CN102313519A (zh) * 2010-06-17 2012-01-11 株式会社森精机制作所 位移检测装置
US8810807B2 (en) 2010-06-17 2014-08-19 Mori Seiki Co., Ltd. Displacement detecting device
JP2012173246A (ja) * 2011-02-24 2012-09-10 Fujifilm Corp 光音響画像化装置
JP2012229958A (ja) * 2011-04-25 2012-11-22 Disco Abrasive Syst Ltd 3次元計測装置
CN105841616A (zh) * 2016-05-18 2016-08-10 合肥图迅电子科技有限公司 电子元件封装后双头管脚及塑封体视觉检测系统
WO2018168635A1 (ja) * 2017-03-13 2018-09-20 株式会社モリタ製作所 三次元スキャナ、およびプローブ
JP2018151239A (ja) * 2017-03-13 2018-09-27 株式会社モリタ製作所 三次元スキャナ、およびプローブ
US11060852B2 (en) 2017-03-13 2021-07-13 J. Morita Mfg. Corp. Three-dimensional scanner and probe

Also Published As

Publication number Publication date
JP3457047B2 (ja) 2003-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6825454B2 (en) Automatic focusing device for an optical appliance
JPH0117523B2 (ja)
KR100300212B1 (ko) 고정밀패턴검사방법및장치
GB2505691A (en) Estimating an in-focus level of a target in an image scanning apparatus
JPH10185529A (ja) 干渉計及び形状測定装置
JP2000275027A (ja) スリット共焦点顕微鏡とそれを用いた表面形状計測装置
JPH11211439A (ja) 表面形状計測装置
JPH01245104A (ja) 顕微鏡的構造を測定する装置を有する顕微鏡
CN111044260A (zh) 显微物镜畸变测试装置及测试方法
US5543918A (en) Through-the-lens confocal height measurement
WO1992017805A1 (en) Apparatus for sensing automatic focusing
US5432330A (en) Two-stage detection noncontact positioning apparatus having a first light detector with a central slit
JPH07239216A (ja) 共焦点型三次元計測装置及び高さ計測方法
JPH10318718A (ja) 光学式高さ検出装置
KR101826127B1 (ko) 광학적 웨이퍼 검사 장치
JP2004515750A (ja) 複数ビーム検査装置および方法
JP2003241102A (ja) レーザ走査顕微鏡
JPS6161178B2 (ja)
US20230418037A1 (en) Image scanning apparatus and method
JP2002116010A (ja) 三次元形状測定方法及び装置
JP3349711B2 (ja) 自動焦点検出装置
JPH09325278A (ja) 共焦点型光学顕微鏡
US4758731A (en) Method and arrangement for aligning, examining and/or measuring two-dimensional objects
JPH08261734A (ja) 形状測定装置
US6731390B2 (en) Process and apparatus for determining surface information using a projected structure with a periodically changing brightness curve

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees