JPH0875414A - Infinitesimal position measuring device - Google Patents
Infinitesimal position measuring deviceInfo
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- JPH0875414A JPH0875414A JP6234154A JP23415494A JPH0875414A JP H0875414 A JPH0875414 A JP H0875414A JP 6234154 A JP6234154 A JP 6234154A JP 23415494 A JP23415494 A JP 23415494A JP H0875414 A JPH0875414 A JP H0875414A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、試料の境界面の位置を
測定するための微小位置測定装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro position measuring device for measuring the position of a boundary surface of a sample.
【0002】[0002]
【従来の技術】試料の境界面の位置を測定するための微
小位置測定装置としては、従来より、試料の有する複数
の境界面の相対的位置たる試料の寸法を測定するための
装置(以下、「微小寸法測定装置」という)や、試料の
有する境界面の位置の分布を測定することにより、試料
の形状を求めるための装置(以下、「微小形状測定装
置」という)が知られている。2. Description of the Related Art As a minute position measuring device for measuring the position of a boundary surface of a sample, a device for measuring a dimension of a sample which is a relative position of a plurality of boundary surfaces of the sample (hereinafter, referred to as There is known a "small size measuring device") and a device for obtaining the shape of the sample by measuring the distribution of the position of the boundary surface of the sample (hereinafter referred to as "small shape measuring device").
【0003】従来の微小寸法測定装置としては、層構造
をもつ試料の層の厚さ寸法を測定するためのエリプソメ
ータがある。エリプソメータでは、試料表面に偏光した
光を斜入射させ、反射光の偏光の変化を測定することに
より、層厚寸法と屈折率を演算・出力する。従来の微小
寸法測定装置としては、また、白色光の干渉を利用して
層の厚さ寸法を測定する装置もある。この装置は、マイ
ケルソン干渉計の光学系からなり、その参照ミラーを振
動させ各層からの反射光と参照光を干渉させる。干渉光
強度が最も強くなる参照ミラーの位置から層厚寸法を測
定する。一方、従来の微小形状測定装置としては、接触
式三次元形状測定機や、光学式非接触変位形がある。接
触式三次元形状測定機は、一般に、針を試料の表面上に
移動させ、針の位置情報をもとに試料の形状を測定す
る。また、光学式非接触変位形では、一般に、レーザビ
ームを集光して試料表面に照射し、レンズを上下させる
ことで、オートフォーカッシングしながら試料面を走査
する。レンズの上下位置と、試料の送りから、試料の形
状を測定する。As a conventional minute dimension measuring device, there is an ellipsometer for measuring the thickness dimension of a layer of a sample having a layer structure. In the ellipsometer, polarized light is obliquely incident on the sample surface and the change in polarization of reflected light is measured to calculate and output the layer thickness dimension and the refractive index. As a conventional minute dimension measuring apparatus, there is also an apparatus that measures the thickness dimension of a layer by utilizing the interference of white light. This device is composed of an optical system of a Michelson interferometer, and vibrates a reference mirror of the Michelson interferometer to interfere the reflected light from each layer with the reference light. The layer thickness dimension is measured from the position of the reference mirror where the intensity of the interference light is the highest. On the other hand, as a conventional minute shape measuring apparatus, there are a contact type three-dimensional shape measuring machine and an optical non-contact displacement type. A contact-type three-dimensional shape measuring instrument generally moves a needle onto the surface of a sample and measures the shape of the sample based on position information of the needle. Further, in the optical non-contact displacement type, in general, a laser beam is focused and irradiated on the sample surface, and the lens is moved up and down to scan the sample surface while performing autofocusing. The shape of the sample is measured from the vertical position of the lens and the sample feed.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の微小寸法測定装置では、サブミクロンから数ミリ
メートルまでの範囲の寸法の測定をすることができなか
った。したがって、例えば、10ミクロン程度の液晶セ
ルギャップを測定することはできなかった。エリプソメ
ータでは、さらに、多層構造の試料の表面近傍の層厚は
測定できても、深層部の層厚は測定できないという問題
もあった。また、光の干渉を利用した装置では、振動等
の外乱に弱く光学系のセッティングにも手間がかかるな
どの欠点もあった。また、従来の微小形状測定装置で
は、層状構造の試料の各層の形状を同時に測定すること
はできなかった。However, these conventional minute dimension measuring devices cannot measure the dimension in the range from submicron to several millimeters. Therefore, for example, it was not possible to measure a liquid crystal cell gap of about 10 microns. The ellipsometer also has a problem that the layer thickness in the vicinity of the surface of the sample having the multilayer structure can be measured, but the layer thickness in the deep layer portion cannot be measured. In addition, the device utilizing the interference of light has a drawback that it is vulnerable to disturbance such as vibration and that it takes time to set the optical system. In addition, the conventional micro-shape measuring device cannot measure the shape of each layer of the sample having the layered structure at the same time.
【0005】そこで、本発明の目的は、試料の境界面の
位置をサブミクロンから数ミリメートル単位でも測定で
き、また、多層構造の試料が有する複数の境界面のそれ
ぞれの位置を比較的簡単に測定できるため、従来では不
可能であったサブミクロンから数ミリメートルまでの厚
さ寸法の測定を可能とすると共に、多層構造の試料の各
層の寸法・形状を非接触で比較的簡単に測定することを
可能とする微小位置測定装置を提供することを目的とす
る。Therefore, an object of the present invention is to measure the position of the boundary surface of the sample even in units of sub-microns to several millimeters, and to relatively easily measure the position of each of the plurality of boundary surfaces of the sample having the multilayer structure. Since it is possible to measure the thickness dimension from sub-micron to several millimeters, which was impossible in the past, it is possible to measure the dimension and shape of each layer of a sample with a multilayer structure relatively easily without contact. It is an object of the present invention to provide a micro position measuring device that enables the measurement.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、増倍
機能を有する光源と、該光源からの光の光軸方向に沿っ
て共焦点系を構成することにより、該光源からの光を少
なくとも一つの境界面を有する試料に集束照射し、か
つ、該試料からの反射光を該光源に帰還入射させるため
の共焦点光学系と、該共焦点光学系に対する該試料の相
対位置を該光軸方向に移動させる走査手段と、該光源に
帰還入射する試料からの反射光の光量により変動する該
光源の出力状態を検出するための検出手段と、該検出手
段の検出結果と該走査手段による該試料の該共焦点光学
系に対する相対位置に基づき、該試料の該少なくとも一
つの境界面の該光軸方向における位置を演算するための
演算手段を備えることを特徴とする、試料の境界面の位
置を測定するための微小位置測定装置を提供している。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, according to the present invention, a light source having a multiplying function and a confocal system along the optical axis direction of the light from the light source are provided so that the light from the light source is prevented. A confocal optical system for focusing and irradiating a sample having at least one boundary surface and for returning reflected light from the sample to the light source, and a relative position of the sample with respect to the confocal optical system A scanning unit that moves in the axial direction, a detection unit that detects the output state of the light source that varies depending on the amount of reflected light from the sample that returns and enters the light source, a detection result of the detection unit, and the scanning unit. A boundary surface of the sample, which comprises a calculating means for calculating the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction based on the relative position of the sample with respect to the confocal optical system. For measuring position It provides a small position measurement device.
【0007】ここで、該演算手段は、該試料の該少なく
とも一つの境界面の該光軸方向における該微小位置測定
装置に対する相対位置を演算するための相対位置演算手
段を備えることが好ましい。Here, it is preferable that the calculating means includes a relative position calculating means for calculating a relative position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction with respect to the minute position measuring device.
【0008】ここで、試料の有する少なくとも一つの境
界面とは、該試料が該光軸方向に沿って向かい合う一対
の表面(以下、「外部境界面」という)を有する場合に
は、これら二つの外部境界面をいう。特に、該試料が、
複数の層が該光軸方向に沿って積み重なってできている
多層構造である場合には、該少なくとも一つの境界面と
は、該複数の層の境界面(以下、「内部境界面」とい
う)と該一対の外部境界面をいう。Here, at least one boundary surface of the sample means, if the sample has a pair of surfaces facing each other along the optical axis direction (hereinafter referred to as "external boundary surface"), these two boundary surfaces. The outer boundary surface. In particular, the sample is
In the case of a multilayer structure in which a plurality of layers are stacked along the optical axis direction, the at least one boundary surface is a boundary surface of the plurality of layers (hereinafter, referred to as “internal boundary surface”). And the pair of outer boundary surfaces.
【0009】また、該演算手段は、該試料が該光軸方向
に沿って複数の境界面を有する場合には、該複数の境界
面のそれぞれの該光軸方向における相対的位置を演算す
ることにより、各境界面間の距離を演算するための寸法
演算手段を備えることが好ましい。When the sample has a plurality of boundary surfaces along the optical axis direction, the calculating means calculates the relative position of each of the plurality of boundary surfaces in the optical axis direction. Therefore, it is preferable to include dimension calculation means for calculating the distance between the boundary surfaces.
【0010】該走査手段は、該共焦点光学系に対する該
試料の相対位置を該光軸方向に移動させるための第一の
走査手段と、該共焦点光学系に対する該試料の相対位置
を該光軸に直交する方向に移動させるための第二の走査
手段からなり、該第一の走査手段が、該共焦点光学系に
対する該試料の相対位置を該光軸方向に所定の走査周期
にて走査しており、該第二の走査手段が、該第一の走査
手段の走査周期より遅い周期で、該共焦点光学系に対す
る該試料の相対位置を該光軸に直交する方向に移動さ
せ、該演算手段が、該試料の該少なくとも一つの境界面
の該光軸方向における位置の該光軸方向に直交する方向
における分布を演算するための分布演算手段を備えてい
ても良い。The scanning means includes a first scanning means for moving the relative position of the sample with respect to the confocal optical system in the optical axis direction, and a relative position of the sample with respect to the confocal optical system for the light. It comprises a second scanning means for moving in a direction orthogonal to the axis, the first scanning means scanning the relative position of the sample with respect to the confocal optical system in the optical axis direction at a predetermined scanning cycle. The second scanning means moves the relative position of the sample with respect to the confocal optical system in a direction orthogonal to the optical axis at a cycle slower than the scanning cycle of the first scanning means, The calculation means may include a distribution calculation means for calculating the distribution of the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction in the direction orthogonal to the optical axis direction.
【0011】該光源は、これを一定の駆動状態に維持す
るための一定状態駆動源を備え、該検出手段は、該光源
の出力光量を検出するための光検出手段であることが好
ましい。より好ましくは、該光源は、レーザダイオード
と、これに一定の駆動電流を印加するためのレーザダイ
オード駆動電源からなることが好ましい。この場合、該
光検出手段は、該レーザダイオードの出力光を検出する
ための光検出器からなることが好ましい。ここで、該光
源は、さらに駆動電流制御装置を備え、試料からの反射
光の光量に応じて、レーザダイオードの発振を適当な条
件に保つための制御を行うようにしても良い。It is preferable that the light source is provided with a constant state drive source for maintaining it in a constant drive state, and the detecting means is a light detecting means for detecting an output light amount of the light source. More preferably, the light source preferably comprises a laser diode and a laser diode drive power source for applying a constant drive current thereto. In this case, it is preferable that the light detecting means is a light detector for detecting the output light of the laser diode. Here, the light source may further include a drive current control device, and control may be performed to maintain the oscillation of the laser diode under appropriate conditions according to the amount of light reflected from the sample.
【0012】また、該光源は、その出力光量が一定にな
るようにフィードバック駆動するためのフィードバック
駆動源を備え、該検出手段は該フィードバック駆動源の
駆動状態を検出するものでも良い。より好ましくは、該
光源は、レーザダイオードと、該レーザダイオードに駆
動電流を印加するためのレーザダイオード駆動電源と、
該レーザダイオードの出力光を検出するための光検出器
と、該光検出器の検出結果に基づき該レーザダイオード
駆動電源が該レーザダイオードに印加する駆動電流をフ
ィードバック制御するフィードバック制御装置からなる
ことが好ましい。また、該検出手段は、該フィードバッ
ク制御装置がフィードバック制御する該駆動電流値を検
出する。Further, the light source may be provided with a feedback drive source for performing a feedback drive so that the output light amount becomes constant, and the detection means may detect the drive state of the feedback drive source. More preferably, the light source is a laser diode, and a laser diode drive power source for applying a drive current to the laser diode,
A photodetector for detecting the output light of the laser diode, and a feedback control device for feedback-controlling the drive current applied to the laser diode by the laser diode drive power source based on the detection result of the photodetector. preferable. Further, the detection means detects the drive current value that is feedback-controlled by the feedback control device.
【0013】[0013]
【作用】上記構成を有する本発明の微小位置測定装置に
おいては、該共焦点光学系が、該光源からの光を少なく
とも一つの境界面を有する試料に集束照射すると共に、
その照射により得られる該試料からの反射光を該光源に
帰還入射させる。該走査手段が、該共焦点光学系に対す
る該試料の相対位置を該光軸方向に移動させる。かかる
移動に伴い、該共焦点光学系からの光が試料の該少なく
とも一つの境界面に集束照射されると、該試料からの反
射光光量が増大する。この結果、該光源に帰還入射する
試料からの反射光光量が増大する。ここで、該光源は増
幅機能を有しているため、その出力状態が変動する。該
検出手段がこの出力状態の変動を検出する。該演算手段
が、該検出手段の検出結果と該走査手段による該試料の
該共焦点光学系に対する相対位置に基づき、該試料の該
少なくとも一つの境界面の該光軸方向における位置を演
算する。In the microposition measuring apparatus of the present invention having the above-mentioned structure, the confocal optical system focuses the light from the light source onto the sample having at least one boundary surface, and
The reflected light from the sample obtained by the irradiation is returned and made incident on the light source. The scanning means moves the relative position of the sample with respect to the confocal optical system in the optical axis direction. When the light from the confocal optical system is focused and irradiated on the at least one boundary surface of the sample with such movement, the amount of reflected light from the sample increases. As a result, the amount of reflected light from the sample that returns and enters the light source increases. Here, since the light source has an amplifying function, its output state changes. The detecting means detects the change in the output state. The calculation means calculates the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction based on the detection result of the detection means and the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the scanning means.
【0014】ここで、該演算手段が該相対位置演算手段
を備えている場合には、該相対位置演算手段は、該試料
の該少なくとも一つの境界面の該光軸方向における該微
小位置測定装置に対する相対位置を演算する。Here, when the calculating means includes the relative position calculating means, the relative position calculating means includes the minute position measuring device in the optical axis direction of the at least one boundary surface of the sample. Calculate the relative position to.
【0015】ここで、該試料が該光軸方向に沿って複数
の境界面を有する場合には、該走査手段による移動に伴
い、該共焦点光学系からの光が該複数の境界面のそれぞ
れに集束照射される度に、該試料からの反射光光量が増
大する。したがって、該演算手段は、該検出手段の検出
結果と該走査手段による該試料の該共焦点光学系に対す
る相対位置に基づき、該試料の該複数の境界面のそれぞ
れの該光軸方向における位置を演算する。ここで、該演
算手段が該寸法演算手段を備えている場合には、該寸法
演算手段は、該試料の該複数の境界面の相対的位置であ
る各境界面間の距離を演算する。ここで、該試料が該光
軸方向に沿って向かい合う一対の外部境界面を有する場
合には、該寸法演算手段は、該一対の外部境界面間距離
を演算して、該試料の該光軸方向における寸法を求め
る。また、該試料が一対の外部境界面と複数の内部境界
面を有する多層構造である場合には、該寸法演算手段
は、該一対の外部境界面と該複数の内部境界面間の距離
を演算して、該試料の該光軸方向における各層の層厚を
求める。Here, when the sample has a plurality of boundary surfaces along the optical axis direction, the light from the confocal optical system is moved by the scanning means so that each of the plurality of boundary surfaces. The amount of reflected light from the sample increases each time the sample is focused and irradiated. Therefore, the calculation means determines the position of each of the plurality of boundary surfaces of the sample in the optical axis direction based on the detection result of the detection means and the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the scanning means. Calculate Here, when the calculating means includes the dimension calculating means, the dimension calculating means calculates a distance between the boundary surfaces which is a relative position of the plurality of boundary surfaces of the sample. Here, when the sample has a pair of external boundary surfaces facing each other along the optical axis direction, the dimension calculating means calculates the distance between the pair of external boundary surfaces to calculate the optical axis of the sample. Find the dimension in the direction. Further, when the sample has a multi-layer structure having a pair of outer boundary surfaces and a plurality of inner boundary surfaces, the dimension calculation means calculates a distance between the pair of outer boundary surfaces and the plurality of inner boundary surfaces. Then, the layer thickness of each layer in the optical axis direction of the sample is obtained.
【0016】該走査手段が、該第一の走査手段と該第二
の走査手段からなる場合には、該第一の走査手段が、該
共焦点光学系に対する該試料の相対位置を該光軸方向に
該所定の走査周期にて走査する。該第二の走査手段が、
該第一の走査手段の走査周期より遅い周期で、該共焦点
光学系に対する該試料の相対位置を該光軸に直交する方
向に移動させる。該演算手段の該分布演算手段が、該試
料の該少なくとも一つの境界面の該光軸方向における位
置の該光軸方向に直交する方向における分布を演算す
る。When the scanning means comprises the first scanning means and the second scanning means, the first scanning means determines the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the optical axis. Scanning in the predetermined scanning cycle. The second scanning means is
The relative position of the sample with respect to the confocal optical system is moved in a direction orthogonal to the optical axis at a cycle slower than the scanning cycle of the first scanning means. The distribution calculation means of the calculation means calculates the distribution of the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction in the direction orthogonal to the optical axis direction.
【0017】ここで、該光源がこれを一定の駆動状態に
維持するための一定状態駆動源を備えている場合には、
該光源は一定の光量の光を出力している。該走査手段に
よる走査に伴い、該光源からの光が該共焦点光学系によ
り該試料の該少なくとも一つの境界面に集束照射される
と、該試料からの反射光光量が増大する。この結果、該
光源に帰還入射する試料からの反射光光量が増大する。
ここで、該光源は増幅機能を有しているため、その出力
光量が増大する。該光検出手段が、この出力光量の増大
を検出する。該演算手段が、該光検出手段の検出結果と
該走査手段による該試料の該共焦点光学系に対する相対
位置に基づき、該試料の該少なくとも一つの境界面の該
光軸方向の位置を演算する。特に、該光源がレーザダイ
オードとこれに一定の駆動電流を印加するためのレーザ
ダイオード駆動電源からなり、該光検出手段が該レーザ
ダイオードの出力光を検出するための光検出器からなる
場合には、該光検出器は、該レーザダイオードに帰還入
射する試料からの反射光により制御させられる該レーザ
ダイオードの出力光を検出する。ここで、該光源が駆動
電流制御装置を備えている場合には、該駆動電流制御装
置は、該試料からの反射光光量に応じて該一定の駆動電
流の値を調整することにより、該レーザダイオードの発
振を適当な条件に保つ。Here, when the light source is provided with a constant state drive source for maintaining it in a constant drive state,
The light source outputs a constant amount of light. When the confocal optical system focuses and irradiates the at least one boundary surface of the sample with the scanning by the scanning unit, the amount of reflected light from the sample increases. As a result, the amount of reflected light from the sample that returns and enters the light source increases.
Here, since the light source has an amplification function, the output light amount thereof increases. The light detecting means detects the increase in the output light amount. The calculation means calculates the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction, based on the detection result of the light detection means and the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the scanning means. . In particular, when the light source comprises a laser diode and a laser diode drive power source for applying a constant drive current to the laser diode, and the photodetection means comprises a photodetector for detecting the output light of the laser diode, The photodetector detects the output light of the laser diode which is controlled by the reflected light from the sample that is returned and incident on the laser diode. Here, when the light source is provided with a drive current control device, the drive current control device adjusts the value of the constant drive current according to the amount of light reflected from the sample, thereby Keep the oscillation of the diode in proper condition.
【0018】一方、該光源がフィードバック駆動源を備
えている場合には、該光源は、常に一定の光量の光を出
力するようフィードバックされている。該光源からの光
が該共焦点光学系により該試料の該少なくとも一つの境
界面に集束照射されると、該試料からの反射光光量が増
大し、該光源に帰還入射する反射光光量が増大する。こ
こで、該光源は増幅機能を有しているため、その出力光
量が増大する。該フィードバック駆動源は、該出力光量
の増大に伴い、該出力光量を低減させるべくその駆動状
態を変動させる。該検出手段が、この駆動状態の変動を
検出する。該演算手段が、該検出手段の検出結果と該走
査手段による該試料の該共焦点光学系に対する相対位置
に基づき、該試料の該少なくとも一つの境界面の該光軸
方向の位置を演算する。特に、該光源が、レーザダイオ
ードとレーザダイオード駆動電源と光検出器とフィード
バック制御装置からなる場合には、レーザダイオード
は、試料から帰還入射する反射光の光量により出力光量
を変動させる。該光検出器が、その出力光量の変動を検
出し、該フィードバック制御装置が、該光検出器の検出
結果に基づき、該レーザダイオード駆動電源をフィード
バック制御して、該レーザダイオードに印加する駆動電
流を調整する。該検出手段が、この駆動電流値を検出す
る。On the other hand, when the light source has a feedback drive source, the light source is always fed back so as to output a constant amount of light. When the light from the light source is focused and irradiated on the at least one boundary surface of the sample by the confocal optical system, the amount of reflected light from the sample increases, and the amount of reflected light returning to the light source and incident increases. To do. Here, since the light source has an amplification function, the output light amount thereof increases. The feedback drive source changes its drive state in order to reduce the output light amount as the output light amount increases. The detection means detects the change in the driving state. The calculating means calculates the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction based on the detection result of the detecting means and the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the scanning means. In particular, when the light source is composed of a laser diode, a laser diode driving power source, a photodetector, and a feedback control device, the laser diode changes the output light amount according to the light amount of the reflected light that returns from the sample. The photodetector detects a variation in the amount of output light, and the feedback control device feedback-controls the laser diode drive power source based on the detection result of the photodetector to apply a drive current to the laser diode. Adjust. The detection means detects this drive current value.
【0019】[0019]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0020】まず、本発明の第一の実施例について、説
明する。本発明の第一の実施例は、試料の有する複数の
境界面の位置を測定し、その相対的位置である境界面間
距離を測定するための微小位置測定装置(微小寸法測定
装置)である。例えば、試料が向かい合う一対の表面
(外部境界面)を有する場合には、これら二つの外部境
界面の位置を測定し、その間の距離(相対的位置)であ
る試料の寸法を求めることができる。また、試料が複数
の層が積み重なってできた多層構造である場合には、該
複数の層の境界面(内部境界面)と一対の外部境界面の
位置を測定し、その間の距離(相対的位置)である各層
の厚み寸法を求めることができる。First, the first embodiment of the present invention will be described. The first embodiment of the present invention is a minute position measuring device (a minute dimension measuring device) for measuring the positions of a plurality of boundary surfaces of a sample and measuring the relative distances between the boundary surfaces. . For example, when the sample has a pair of surfaces (external boundary surfaces) facing each other, the positions of these two external boundary surfaces can be measured, and the dimension of the sample, which is the distance (relative position) between them, can be obtained. When the sample has a multi-layer structure formed by stacking a plurality of layers, the positions of the boundary surface (inner boundary surface) of the plurality of layers and a pair of outer boundary surfaces are measured, and the distance between them (relative It is possible to obtain the thickness dimension of each layer which is (position).
【0021】この微小位置測定装置の概要を、図1を参
照して簡単に説明する。本実施例の微小位置測定装置1
は、主に、増倍機能を有する光源たるレーザダイオード
12と、該光源12を一定の駆動状態にて駆動する一定
駆動状態駆動源たるレーザダイオード駆動電源16と、
光源12からの光の光軸Z方向に沿って共焦点系を構成
する共焦点光学系20と、該共焦点光学系20に対する
試料Sの相対位置を光軸Z方向に移動させる走査手段た
るピエゾステージ26と、試料で反射され共焦点光学系
20により該光源12に帰還入射する戻り光により変動
する光源12の出力光量を検出するための光検出手段た
るホトダイオード14と、ホトダイオード14の検出結
果と走査手段26による該共焦点光学系20に対する試
料Sの相対位置に基づき、試料Sの有する複数の境界面
の光軸Z方向における位置を演算し、その間の距離を演
算する演算手段たる演算・制御装置30を備えている。The outline of the minute position measuring apparatus will be briefly described with reference to FIG. Micro position measuring device 1 of this embodiment
Mainly includes a laser diode 12 as a light source having a multiplication function, and a laser diode drive power source 16 as a constant drive state drive source for driving the light source 12 in a constant drive state,
A confocal optical system 20 forming a confocal system along the optical axis Z direction of the light from the light source 12, and a piezo as a scanning means for moving the relative position of the sample S with respect to the confocal optical system 20 in the optical axis Z direction. The stage 26, the photodiode 14 as a light detecting means for detecting the output light quantity of the light source 12 which is reflected by the sample and is changed by the return light which is returned and incident on the light source 12 by the confocal optical system 20, and the detection result of the photodiode 14. Based on the relative position of the sample S with respect to the confocal optical system 20 by the scanning means 26, the positions of a plurality of boundary surfaces of the sample S in the optical axis Z direction are calculated, and the distance between them is calculated and controlled as an arithmetic means. A device 30 is provided.
【0022】かかる構成の本実施例の微小位置測定装置
1によれば、レーザダイオード駆動電源16により一定
の駆動状態にて駆動されているレーザダイオード12
は、一定の光量の光を出力している。この光は、共焦点
光学系20により試料S中に光スポットを結ぶ。試料か
らの反射光は、再び共焦点光学系20を経て光源12に
戻る。走査手段26が共焦点光学系22の位置を光軸Z
方向に走査しており、光スポットが試料中の境界面に当
たったとき、光源12に帰還する光量が増加する。ここ
で、光源12は増倍機能を有しているため、かかる帰還
光量の増加に伴いその光出力が増倍する。この光出力の
増大を、ホトダイオード14が検出する。演算・制御装
置30が、光出力が増倍した時点の走査手段26による
共焦点光学系20の位置から、試料の該光軸Z方向にお
ける各境界面の位置を演算する。演算・制御装置30
は、さらに、各境界面の位置から、境界面間の距離を演
算する。According to the minute position measuring apparatus 1 of the present embodiment having such a configuration, the laser diode 12 driven by the laser diode driving power source 16 in a constant driving state.
Outputs a constant amount of light. This light forms a light spot in the sample S by the confocal optical system 20. The reflected light from the sample returns to the light source 12 via the confocal optical system 20 again. The scanning means 26 moves the position of the confocal optical system 22 to the optical axis Z.
When the light spot strikes the boundary surface in the sample, the amount of light returning to the light source 12 increases. Here, since the light source 12 has a multiplication function, its light output is multiplied as the amount of the returned light is increased. The photodiode 14 detects this increase in the light output. The calculation / control device 30 calculates the position of each boundary surface in the optical axis Z direction of the sample from the position of the confocal optical system 20 by the scanning means 26 at the time when the light output is multiplied. Arithmetic / control device 30
Further calculates the distance between the boundary surfaces from the position of each boundary surface.
【0023】以下、本実施例の微小位置測定装置1につ
いて、より詳細に説明する。本実施例の微小位置測定装
置1では、光源12と光検出器14として、LDパッケ
ージ10に内蔵されたレーザダイオードとホトダイオー
ドを利用している。一般に、レーザダイオードパッケー
ジには、内蔵したレーザダイオードの温度変化などによ
る出力変動を抑えるべく、その光出力をモニターするた
めのホトダイオードが組み込まれている。本実施例で
は、このホトダイオードを、レーザダイオード12の出
力光量を検出するための光検出器14として利用してい
るのである。レーザダイオード12には、レーザダイオ
ード駆動電源16から、一定の順方向電流が印加されて
いる。一方、ホトダイオード14は、増幅器18を介し
て、例えば、マイクロコンピュータからなる演算・制御
装置30に接続されている。演算・制御装置30は、ホ
トダイオード14から出力され増幅器18にて増幅され
た検出信号(以下、「光出力信号」という)を受け取
る。The minute position measuring apparatus 1 of this embodiment will be described in more detail below. In the minute position measuring apparatus 1 of this embodiment, a laser diode and a photodiode built in the LD package 10 are used as the light source 12 and the photodetector 14. In general, a laser diode package incorporates a photodiode for monitoring the optical output of the built-in laser diode in order to suppress output fluctuations due to temperature changes and the like. In this embodiment, this photodiode is used as the photodetector 14 for detecting the output light amount of the laser diode 12. A constant forward current is applied to the laser diode 12 from the laser diode drive power supply 16. On the other hand, the photodiode 14 is connected via an amplifier 18 to an arithmetic / control device 30 composed of, for example, a microcomputer. The arithmetic / control device 30 receives the detection signal (hereinafter, referred to as “optical output signal”) output from the photodiode 14 and amplified by the amplifier 18.
【0024】コリメータレンズ22と対物レンズ24
が、レーザダイオード12の光軸Zに沿って共焦点光学
系20を構成している。コリメータレンズ22は、レー
ザダイオード12から出力されたレーザ光をコリメート
して略平行光とするべく、レーザダイオード12から、
所定の距離(焦点距離)だけ離間した位置に固定されて
いる。対物レンズ24は、コリメータレンズ22からの
略平行光を受け取り、その焦点距離fだけ離間した位置
にスポット像を結像する機能を有する。一方、固定台3
4が、光軸Z方向に沿って対物レンズ24に対向して固
定配置されている。この固定台34の表面上に、複数の
境界面を有する試料Sが配置される。ここで、試料S
は、その境界面が光軸Z方向に沿って並ぶように配置さ
れる。Collimator lens 22 and objective lens 24
Form a confocal optical system 20 along the optical axis Z of the laser diode 12. The collimator lens 22 collimates the laser light output from the laser diode 12 into a substantially parallel light,
It is fixed at a position separated by a predetermined distance (focal length). The objective lens 24 has a function of receiving substantially parallel light from the collimator lens 22 and forming a spot image at a position separated by the focal length f thereof. On the other hand, fixed base 3
4 is fixedly arranged facing the objective lens 24 along the optical axis Z direction. A sample S having a plurality of boundary surfaces is placed on the surface of the fixed table 34. Here, sample S
Are arranged so that their boundary surfaces are lined up along the optical axis Z direction.
【0025】対物レンズ24はピエゾステージ26上に
固定配置され、固定台34上に配置された試料Sに対向
しながら光軸Z方向に往復走査されるようになってい
る。すなわち、ピエゾステージ26は、光軸Z方向に振
動可能に配置された図示しない圧電素子を備えている。
ピエゾドライバー28が、このピエゾステージ26上の
圧電素子に接続されており、これに駆動電圧を印加す
る。ピエゾドライバー28は、この駆動電圧をスキャン
することにより、圧電素子を振動させて、ピエゾステー
ジ26を光軸Z方向に往復走査させるのである。ここ
で、ピエゾステージ26の光軸Z方向の位置は、ピエゾ
ドライバー28のピエゾステージ26へ印加する駆動電
圧によって定まる。ピエゾドライバー28は、演算・制
御装置30に接続されており、ピエゾステージ26に印
加する駆動電圧を示す信号、すなわち、ピエゾステージ
26の光軸Z方向上の位置を示す位置信号を演算・制御
装置30に出力する。この位置信号としては、例えば、
固定台34表面からピエゾステージ26までの距離(す
なわち、共焦点光学系20の対物レンズ24と試料Sと
の距離)zを示すものとすることができる。The objective lens 24 is fixedly arranged on the piezo stage 26, and is reciprocally scanned in the optical axis Z direction while facing the sample S arranged on the fixed base 34. That is, the piezo stage 26 includes a piezoelectric element (not shown) arranged so as to vibrate in the optical axis Z direction.
A piezo driver 28 is connected to the piezoelectric element on the piezo stage 26 and applies a drive voltage to it. The piezo driver 28 oscillates the piezoelectric element by scanning the drive voltage to reciprocally scan the piezo stage 26 in the optical axis Z direction. Here, the position of the piezo stage 26 in the optical axis Z direction is determined by the drive voltage applied to the piezo stage 26 of the piezo driver 28. The piezo driver 28 is connected to the arithmetic / control device 30, and calculates / controls a signal indicating the drive voltage applied to the piezo stage 26, that is, a position signal indicating the position of the piezo stage 26 in the optical axis Z direction. Output to 30. As this position signal, for example,
The distance z from the surface of the fixed table 34 to the piezo stage 26 (that is, the distance between the objective lens 24 of the confocal optical system 20 and the sample S) can be indicated.
【0026】かかる構成の微小位置測定装置1において
は、レーザダイオードパッケージ10内のレーザダイオ
ード12から発した一定光量のレーザ光は、コリメータ
レンズ22により略平行光とされ、対物レンズ24によ
り試料S中にスポット像を結ぶ。試料Sからの反射光
は、対物レンズ24、コリメータレンズ22を経て、レ
ーザダイオード12に戻る。レーザダイオードパッケー
ジ10内のレーザダイオード出力モニター用のホトダイ
オード14が、レーザダイオード12の出力光量の変動
を検出する。In the minute position measuring apparatus 1 having such a configuration, the laser light of the constant light amount emitted from the laser diode 12 in the laser diode package 10 is made into substantially parallel light by the collimator lens 22, and the objective lens 24 causes the sample S to pass through the sample S. Connect the spot image to. The reflected light from the sample S returns to the laser diode 12 via the objective lens 24 and the collimator lens 22. The photodiode 14 for monitoring the laser diode output in the laser diode package 10 detects the fluctuation of the output light amount of the laser diode 12.
【0027】コリメータレンズ22と対物レンズ24は
共焦点光学系20を構成しているため、試料中のレーザ
スポット像が形成されている位置以外の部分からの戻り
光は、効率良くレーザダイオード12の開口によりカッ
トされる。したがって、対物レンズ24を光軸方向に走
査すると、レーザスポットが試料S中の高反射率部分で
ある異なる物質の境界面(試料の表面たる外部境界面や
試料が多層膜である場合の内部境界面)に当たると、大
量の反射光がレーザダイオード12に帰還する。この大
量の反射光はレーザダイオード発振を増幅変動させるた
め、レーザダイオード12の出力光量が増大する。ホト
ダイオード14がこの変動した光出力を検出して、その
検出結果を示す光出力信号を出力する。この光出力信号
は、増幅器18で増幅された後、演算・制御装置30に
入力される。Since the collimator lens 22 and the objective lens 24 form the confocal optical system 20, the returning light from the portion other than the position where the laser spot image is formed in the sample is efficiently reflected by the laser diode 12. Cut by the opening. Therefore, when the objective lens 24 is scanned in the optical axis direction, the laser spot is a boundary surface of different substances which is a high reflectance portion in the sample S (an external boundary surface which is a surface of the sample or an internal boundary when the sample is a multilayer film). When it hits the surface, a large amount of reflected light returns to the laser diode 12. This large amount of reflected light amplifies and fluctuates the laser diode oscillation, so that the output light amount of the laser diode 12 increases. The photodiode 14 detects the changed optical output and outputs an optical output signal indicating the detection result. The optical output signal is amplified by the amplifier 18 and then input to the arithmetic / control device 30.
【0028】演算・制御装置30は、この光出力信号と
ピエゾドライバ28の位置信号の同期をとり、表示装置
32を制御して、対物レンズ24の移動距離とレーザダ
イオード12の出力光量との関係を表示させる。例え
ば、表示装置32がオシロスコープの場合には、これを
位置信号でトリガをかけ光出力信号を表示させればよ
い。この結果、試料の各境界面からの反射光が、パルス
状の光出力信号として得られる。演算・制御装置30
は、光出力信号と位置信号を演算し、パルス状の光出力
信号(より詳しくは、パルス状の光出力信号の頂点、重
心、あるいは、最小微分値)の得られた際の対物レンズ
24の移動距離を求めることにより、試料Sの各境界面
の対物レンズ24に対する相対位置を求める。ここで、
試料Sは、光軸Z方向に複数の境界面(少なくとも二つ
の外部境界面)を有するため、該複数の境界面からの反
射光が、複数(境界面の数と同数)のパルス状の光出力
信号として得られる。演算・制御装置30は、各パルス
間の距離として、パルスの頂点間隔、パルスの重心間
隔、あるいは、パルスの最小微分値位置間隔を演算する
ことにより、境界面間距離を求める。したがって、試料
Sの相対向する二つの表面(外部境界面)間の距離を求
めることにより、試料Sの寸法を求めることができる。
また、試料Sが多層膜構造の場合には、隣合う境界面間
の距離を求めることにより、各層の層厚を求めることが
できる。The arithmetic / control device 30 synchronizes the optical output signal with the position signal of the piezo driver 28 and controls the display device 32 to establish the relationship between the moving distance of the objective lens 24 and the output light amount of the laser diode 12. Is displayed. For example, when the display device 32 is an oscilloscope, it may be triggered by a position signal to display an optical output signal. As a result, the reflected light from each boundary surface of the sample is obtained as a pulsed light output signal. Arithmetic / control device 30
Is the optical output signal and the position signal, and the pulse-shaped optical output signal (more specifically, the apex, the center of gravity, or the minimum differential value of the pulse-shaped optical output signal) of the objective lens 24 when it is obtained. By obtaining the moving distance, the relative position of each boundary surface of the sample S with respect to the objective lens 24 is obtained. here,
Since the sample S has a plurality of boundary surfaces (at least two outer boundary surfaces) in the optical axis Z direction, a plurality of (the same number as the boundary surfaces) pulse-shaped light is reflected from the plurality of boundary surfaces. It is obtained as an output signal. The calculation / control device 30 calculates the distance between the boundary surfaces by calculating the distance between the vertices of the pulses, the distance between the centers of gravity of the pulses, or the distance between the positions of the minimum differential values of the pulses as the distance between the pulses. Therefore, the dimension of the sample S can be obtained by obtaining the distance between the two surfaces (external boundary surfaces) of the sample S facing each other.
When the sample S has a multilayer film structure, the layer thickness of each layer can be obtained by obtaining the distance between the adjacent boundary surfaces.
【0029】本発明者らは、本実施例の微小位置測定装
置1を実際に作製し、レーザダイオード駆動電源16の
レーザダイオード12に印加する順方向電流値と、一つ
の境界面からの反射光により形成されるパルス状の光出
力信号の半値幅との関係を調べるべく、測定を行った。
その結果、図2に示すように、レーザダイオード12に
その発振しきい値よりやや低めの値の順方向電流を印加
した場合に、半値幅が最も小さくなることが確認され
た。発振しきい値よりやや低めの順方向電流にて駆動さ
せているレーザダイオードにおいては、これに帰還する
光量があるレベル以上になると、発光ダイオード(LE
D)の特性が支配的な状態から、レーザダイオード(L
D)の特性が支配的な状態へと移行し、レーザダイオー
ドへの光の入射に対するその出力光量が極端に増加す
る。換言すれば、試料からの多量の戻り光に対し、レー
ザダイオードの出力が非線形となる。したがって、光帰
還量が少ない場合の光量の変化はあまり現れず、光帰還
が多い場合の光量変化が強調されることになる。結果と
して、光学系の収差の影響などにより発生するサブパル
スが効率的に抑えられると共に、パルス信号の半値幅が
狭くなり、測定精度を向上させることができる。そこ
で、本実施例の微小位置測定装置1では、レーザダイオ
ード駆動電源16は、レーザダイオード12に印加する
順方向電流をその発振しきい値よりやや低めの値に設定
している。The present inventors actually manufactured the minute position measuring apparatus 1 of this embodiment, and measured the forward current value applied to the laser diode 12 of the laser diode drive power source 16 and the reflected light from one boundary surface. The measurement was performed in order to investigate the relationship with the full width at half maximum of the pulsed optical output signal formed by.
As a result, as shown in FIG. 2, it was confirmed that the full width at half maximum was smallest when a forward current having a value slightly lower than the oscillation threshold value was applied to the laser diode 12. In a laser diode driven by a forward current slightly lower than the oscillation threshold value, when the amount of light returned to the laser diode exceeds a certain level, the light emitting diode (LE
From the state where the characteristics of D) are dominant, the laser diode (L
The characteristic of D) shifts to a dominant state, and the output light amount with respect to the incidence of light on the laser diode extremely increases. In other words, the output of the laser diode becomes non-linear with respect to a large amount of returned light from the sample. Therefore, the change in the light amount when the light feedback amount is small does not appear so much, and the change in the light amount when the light feedback amount is large is emphasized. As a result, the sub-pulse generated due to the influence of the aberration of the optical system can be efficiently suppressed, the half width of the pulse signal can be narrowed, and the measurement accuracy can be improved. Therefore, in the minute position measuring apparatus 1 of this embodiment, the laser diode drive power supply 16 sets the forward current applied to the laser diode 12 to a value slightly lower than the oscillation threshold value.
【0030】ただし、レーザダイオード12への帰還光
量のピーク値は、試料の境界面状態(特に反射率)によ
り異なる。したがって、レーザダイオード12に印加す
る順方向電流値を発振しきい値よりどれだけ低くするか
は、試料によって異なってくる。このため、レーザダイ
オード12へ印加する順方向電流値を、測定する試料に
応じて微妙に調整し、任意の試料に対し常に半値幅を最
小にすることが好ましい。そこで、図1に点線で示すよ
うに、増幅器18とレーザダイオード駆動電源16に接
続された駆動電流値設定装置17を設けることが好まし
い。この駆動電流値設定装置17は、マイクロコンピュ
ータ等からなり、増幅器18から、レーザダイオード1
2の出力光量を示す光出力信号を受け取り、その値に基
づいて、レーザダイオード駆動電源16がレーザダイオ
ード12に印加すべき順方向電流値を設定するためのも
のである。より詳しくは、駆動電流値設定装置17は、
まず最初に、適当な順方向電流値を初期設定し、レーザ
ダイオード駆動電源16を制御してその初期設定値の順
方向電流をレーザダイオード12に印加させる。この状
態で、対物レンズ24を走査しながらレーザ光を照射し
て、試し測定を行う。駆動電流値設定装置17は、増幅
器18より光出力信号を受け取り、その信号波形から、
その半値幅が最も小さくなる駆動電流値を算出する。そ
の後、駆動電流値設定装置17は、レーザダイオード駆
動電源16を制御して、その設定値の順方向電流をレー
ザダイオード12に印加させ、実際の測定を行う。な
お、駆動電流値設定装置17を、ホトダイオード14に
直接接続し、ホトダイオード14の直流成分の電流値に
基づいて最適な駆動電流値を算出するようにしてもよ
い。However, the peak value of the amount of light returned to the laser diode 12 differs depending on the boundary state (especially reflectance) of the sample. Therefore, how much the forward current value applied to the laser diode 12 is made lower than the oscillation threshold depends on the sample. Therefore, it is preferable that the forward current value applied to the laser diode 12 is finely adjusted according to the sample to be measured, and the half-width is always minimized for any sample. Therefore, it is preferable to provide a drive current value setting device 17 connected to the amplifier 18 and the laser diode drive power source 16 as shown by the dotted line in FIG. The drive current value setting device 17 is composed of a microcomputer or the like, and includes an amplifier 18 and a laser diode 1
This is for receiving the optical output signal indicating the output light amount of 2 and setting the forward current value to be applied to the laser diode 12 by the laser diode drive power supply 16 based on the value. More specifically, the drive current value setting device 17 is
First, an appropriate forward current value is initially set, and the laser diode drive power supply 16 is controlled to apply the forward current of the initial set value to the laser diode 12. In this state, laser light is emitted while scanning the objective lens 24 to perform trial measurement. The drive current value setting device 17 receives the optical output signal from the amplifier 18, and from the signal waveform,
The drive current value having the smallest half width is calculated. After that, the drive current value setting device 17 controls the laser diode drive power supply 16 to apply the set value of the forward current to the laser diode 12 to perform actual measurement. The drive current value setting device 17 may be directly connected to the photodiode 14 and the optimum drive current value may be calculated based on the current value of the direct current component of the photodiode 14.
【0031】このような構成の本実施例の微小位置測定
装置1によれば、レーザダイオード12の出力光量の極
端な増加(パルス)を、試料の各境界面による帰還光の
増大と判断することができる。すなわち、出力光量が極
端に増加した時に、試料の各境界面が対物レンズ24の
焦点位置に達したと判断することができる。そこで、演
算・制御装置30は、互いに同期した光出力信号と位置
信号を受け取り、該光出力信号が出力光量の極端な増加
を示すパルスを形成した時点を求め、この時点において
得られた位置信号を求める。ここで、この位置信号は、
試料の各境界面の位置を示している。例えば、位置信号
がレンズ24と固定台34表面との距離zを示している
場合には、図1に示すように、このzからレンズ24の
焦点距離fをひいた距離z-fが、固定台34表面と各境
界面の距離を示すからである。したがって、各境界面の
位置を示すこの位置信号zに基づき、試料の各境界面間
の距離を演算することができる。According to the minute position measuring apparatus 1 of the present embodiment having such a configuration, it is judged that the extreme increase (pulse) of the output light quantity of the laser diode 12 is the increase of the feedback light by each boundary surface of the sample. You can That is, it can be judged that each boundary surface of the sample has reached the focal position of the objective lens 24 when the output light amount is extremely increased. Therefore, the arithmetic / control device 30 receives the optical output signal and the position signal which are synchronized with each other, obtains a time point when the optical output signal forms a pulse indicating an extreme increase in the output light quantity, and obtains the position signal obtained at this time point. Ask for. Where this position signal is
The position of each boundary surface of the sample is shown. For example, when the position signal indicates the distance z between the lens 24 and the surface of the fixed base 34, as shown in FIG. 1, the distance zf obtained by subtracting the focal length f of the lens 24 from this z is the fixed base 34. This is because the distance between the surface and each boundary surface is shown. Therefore, the distance between the boundary surfaces of the sample can be calculated based on the position signal z indicating the position of each boundary surface.
【0032】以下、演算・制御装置30の構成とその演
算動作について、図1及び図3〜8を参照して、具体的
に説明する。演算・制御装置30は、図示しないCPU
と、各種プログラム等を格納したROMと、演算結果等
を一時的に格納するためのRAM、及び、アナログ/デ
ジタル変換器等からなるマイクロコンピュータで構成さ
れている。演算・制御装置30は、増幅器18から出力
されてくるアナログの光出力信号と、ピエゾドライバー
28から送られてくるやはりアナログの位置信号を受け
取ると、アナログ/デジタル変換器により、これらをデ
ジタル信号に変換する。演算・制御装置30は、さら
に、これらデジタル化された光出力信号と位置信号の位
相を合わせることにより、同期した個々の光出力データ
と位置データからなるデータ対を生成する。以下、個々
の光出力データと位置データを、それぞれ、I(i)、及
び、Z(i)(iは整数)とし、これらからなるデータ対を
データ対(I(i),Z(i))という。なお、これら個々の光
出力データと位置データからなるデータ対(I(i),Z
(i))は、いったん、RAMに格納される。演算・制御
装置30は、RAMに格納されたデータ対を読みだし、
図3に示すように、横軸を位置(Z(i))、縦軸を光強度
(I(i))としてこれらのデータ対の形成するパルス信号
波形を表示装置32に表示してもよい。The configuration of the arithmetic / control unit 30 and its arithmetic operation will be specifically described below with reference to FIGS. 1 and 3 to 8. The arithmetic / control device 30 is a CPU (not shown).
And a ROM that stores various programs and the like, a RAM that temporarily stores calculation results and the like, and a microcomputer that includes an analog / digital converter and the like. When the arithmetic / control device 30 receives the analog optical output signal output from the amplifier 18 and the analog position signal sent from the piezo driver 28, the arithmetic / control device 30 converts these into digital signals by the analog / digital converter. Convert. The arithmetic / control device 30 further generates a data pair composed of individual synchronized optical output data and position data by matching the phases of these digitized optical output signal and position signal. In the following, each optical output data and position data will be referred to as I (i) and Z (i) (i is an integer), and a data pair consisting of these will be referred to as a data pair (I (i), Z (i)). ). In addition, a data pair (I (i), Z
(i)) is once stored in the RAM. The arithmetic / control device 30 reads the data pair stored in the RAM,
As shown in FIG. 3, the pulse signal waveforms formed by these data pairs may be displayed on the display device 32 with the horizontal axis representing the position (Z (i)) and the vertical axis representing the light intensity (I (i)). .
【0033】演算・制御装置30は、また、読みだした
データ対に対して以下の演算処理を施すことにより、デ
ータ対の形成する複数のパルス信号波形のそれぞれの特
徴点(頂点位置、重心位置、または、微分値最小位置)
を演算して、特徴点間の距離を演算する。なお、この演
算に際しては、演算・制御装置30は、ピエゾステージ
26の全走査区間で得られた全データ対のうち、ピエゾ
有効走査区間(折り返し部約5%を除く走査区間)で得
られたデータ対をRAMより読みだし、演算に供する。
また、ピエゾ有効走査区間の両端の位置を、それぞれ、
Z(e1)(i = e1)、及び、Z(e2)(i = e2)とする(e1 <
e2)。この場合、演算に供されるデータ対の数Nは、N
= e2 - e1 +1で与えられる。より詳しくは、演算・制御
装置30は、図4のフローチャートに示すしきい値決定
処理と、図5のフローチャートに示すパルス−パルス分
離処理を行った後、分離した各パルスについて、図6〜
8のフローチャートに示すパルス頂点演算処理か、パル
ス重心点演算処理か、または、パルス最小微分値点演算
処理のいずれかを行う。演算・制御装置30は、その
後、求めた各パルスの特徴点(頂点、重心点、または、
最小微分値点)間の距離を算出する。ここで、しきい値
決定処理では、試料の境界面による帰還光の増大により
得られる出力光量の極端な増加を示すパルスと光学系の
収差などを示すサブパルスとを区別するのに必要なしき
い値Ithを決定する。また、パルス−パルス分離処理で
は、試料Sの有する複数の境界面に対応して得られる複
数のパルスを、それぞれのパルス毎に分離する。パルス
頂点演算処理、パルス重心点演算処理、及び、パルス最
小微分値点演算処理では、それぞれ、各パルスの頂点、
重心点、及び、最小微分値点を演算する。The arithmetic / control unit 30 also performs the following arithmetic processing on the read data pair, so that the characteristic points (apex position and barycentric position) of each of a plurality of pulse signal waveforms formed by the data pair are formed. , Or the minimum differential value position)
Is calculated to calculate the distance between the feature points. In this calculation, the calculation / control device 30 obtains the piezo effective scanning section (the scanning section excluding about 5% of the folded portion) of all the data pairs obtained in all the scanning sections of the piezo stage 26. The data pair is read from the RAM and used for calculation.
The positions of both ends of the piezo effective scanning section are
Let Z (e1) (i = e1) and Z (e2) (i = e2) (e1 <
e2). In this case, the number N of data pairs used for calculation is N
= e2-e1 + 1. More specifically, the arithmetic / control device 30 performs the threshold value determination process shown in the flowchart of FIG. 4 and the pulse-pulse separation process shown in the flowchart of FIG.
Either the pulse vertex calculation process, the pulse center of gravity point calculation process, or the pulse minimum differential value point calculation process shown in the flowchart of FIG. 8 is performed. The calculation / control device 30 then calculates the characteristic points of each pulse (vertices, centroids, or
Calculate the distance between the minimum differential value points). Here, in the threshold value determination process, the threshold value necessary for distinguishing a pulse indicating an extreme increase in the output light amount obtained by the increase of the feedback light due to the boundary surface of the sample and a subpulse indicating the aberration of the optical system or the like. Determine Ith. Further, in the pulse-pulse separation processing, a plurality of pulses obtained corresponding to a plurality of boundary surfaces of the sample S are separated for each pulse. In the pulse vertex calculation process, the pulse centroid calculation process, and the pulse minimum differential value point calculation process, respectively, the vertex of each pulse,
The center of gravity and the minimum differential value point are calculated.
【0034】しきい値決定処理では、図4に示すよう
に、まず、ステップS1にて、iを初期値e1に設定す
る。次に、ステップS2にて、RAMよりI(i)(すなわ
ち、I(e1))を読み出す。さらに、ステップS3にて、
最大値Imax及び総和IintをI(i)(=I(e1))に初期設定す
る。したがって、この場合には、Imax = I(e1), Iint =
I(e1)となる。次に、iを1だけインクリメントして(ス
テップS4)、ステップS5にて、再び、RAMよりI
(i)を読み出す。ステップS6にて、Iintに現在のI(i)
を加算する。さらに、ステップS7にて、I(i)と前回読
みだしたI(i-1)とを比較し、I(i)の方が大きかったらIm
axをI(i)に置き換える(ステップS8)。一方、I(i)が
I(i-1)と等しいかそれより小さい場合には、Imaxはその
ままにする。次に、ステップS9で、iがe2より小さい
か否か判断し、e2より小さければ、ステップS4に戻っ
て、ステップS4〜S9を繰り返す。一方、iがe2に達
したら、(ステップS9で”Yes”の場合)、ステッ
プS10にて、有効走査区間に得られた全光量データI
の総和値Iintをデータ数Nで割って、平均値Iaveを求め
る。さらに、ステップS11にて、しきい値Ithを、以
下の数式により演算して、処理を終了する。 Ith=0.1(Imax-Iave)+Iave =0.1Imax+0.9IaveIn the threshold value determining process, as shown in FIG. 4, first, in step S1, i is set to an initial value e1. Next, in step S2, I (i) (that is, I (e1)) is read from the RAM. Furthermore, in step S3,
The maximum value Imax and the total sum Iint are initialized to I (i) (= I (e1)). So in this case Imax = I (e1), Iint =
It becomes I (e1). Next, i is incremented by 1 (step S4), and in step S5, I is read from the RAM again.
Read (i). At step S6, the current I (i) is set in Iint.
Is added. Further, in step S7, I (i) is compared with I (i-1) read last time, and if I (i) is larger, Im
Replace ax with I (i) (step S8). On the other hand, I (i) is
If it is less than or equal to I (i-1), leave Imax unchanged. Next, in step S9, it is determined whether or not i is smaller than e2. If i is smaller than e2, the process returns to step S4 and steps S4 to S9 are repeated. On the other hand, when i reaches e2 (in the case of “Yes” in step S9), in step S10, the total light amount data I obtained in the effective scanning section I
The total value Iint of is divided by the number of data N to obtain the average value Iave. Further, in step S11, the threshold value Ith is calculated by the following mathematical expression, and the processing is ended. Ith = 0.1 (Imax-Iave) + Iave = 0.1Imax + 0.9Iave
【0035】パルス−パルス分離処理では、図5に示す
ように、まず、ステップS21にて、iを初期値e1に設
定すると共に、パルスの番号としてjを初期値0に設定
する。つぎに、ステップS22にて、RAMより、I(i)
及びZ(i)(すなわち、I(e1),Z(e1))を読み出す。そし
て、ステップS23にて、読みだしたI(i)と、しきい値
決定処理にて求めたしきい値Ithとを比較する。I(i)の
方がしきい値Ithより小さい場合には(ステップS23
が”Yes”)、このI(i)はパルスを形成していないと
判断できるため、I(i)がパルス中に位置しているか否か
を判断するためのパルス判断値fを0に設定する(ステッ
プS24)。そして、ステップS25にて、iを1イン
クリメントする。つぎに、S26にて、iがe2に達した
か否かを判断し、e2以下の場合には、ステップS22に
戻り、I(i),Z(i)を読み出す。一方、iがe2に達したら
(ステップS26で”No”)、処理を終了する。In the pulse-pulse separation processing, as shown in FIG. 5, first, in step S21, i is set to the initial value e1 and j is set to 0 as the pulse number. Next, in step S22, I (i) is read from the RAM.
And Z (i) (that is, I (e1), Z (e1)). Then, in step S23, the read I (i) is compared with the threshold value Ith obtained in the threshold value determining process. If I (i) is smaller than the threshold value Ith (step S23
Is "Yes"), it is possible to determine that this I (i) does not form a pulse. Therefore, set the pulse determination value f to 0 to determine whether I (i) is located in the pulse. Yes (step S24). Then, in step S25, i is incremented by 1. Next, in S26, it is determined whether or not i has reached e2. If e2 or less, the process returns to step S22 and I (i), Z (i) is read. On the other hand, when i reaches e2 (“No” in step S26), the process ends.
【0036】上記のように、iをインクリメントしなが
ら、I(i),Z(i)を読みだしていき、I(i)が初めてしきい
値Ithを越えると(ステップS23が”Yes”)、ス
テップS27にて、現在設定されているパルス判断値f
が0か否かを判断する。I(i)が初めてしきい値Ithを越え
た時には、fはまだ0に設定されているので(ステップS
27が”Yes”)、I(i)が初めてパルス内に位置した
と判断できる。そこで、ステップS28で、jを1イン
クリメントし、さらに、各パルスを形成する光出力デー
タI(i)の符番を示すkを0に初期設定すると共に、パル
ス判断値fを1に変更する。つぎに、ステップS29
で、符番kを1インクリメントして、ステップS30
で、I(i)を、j番目のパルス内でk番目の信号であること
を示すM(j,k)として、RAMに格納する。そして、ス
テップS25にて、iを1インクリメントし、そのiがe2
に達していない場合には(ステップS26で”N
o”)、再び、I(i),Z(i)を読み出す。こうして読みだ
したI(i)が、再び、しきい値Ith以上である場合には
(ステップS23で”No”)、現在設定されているパ
ルス判断値fは1であるので(ステップS27で”N
o”)、信号の符番kのみを1インクリメントして(ス
テップS29)、I(i)をM(j,k)として、再び、RAMに
格納する(ステップS30)。一方、読みだしたI(i)
が、再び、しきい値Ithより小さくなった場合には(ス
テップS23で”Yes”)、パルス判断値fを0に設
定しなおして(ステップS24)、iを1インクリメン
トする(ステップS25)。As described above, I (i) and Z (i) are read while incrementing i, and when I (i) exceeds the threshold value Ith for the first time (step S23 is "Yes"). , In step S27, the currently set pulse judgment value f
Determines whether is zero. When I (i) exceeds the threshold value Ith for the first time, f is still set to 0 (step S
27 is “Yes”), and it can be determined that I (i) is located within the pulse for the first time. Therefore, in step S28, j is incremented by 1, and k indicating the number of the optical output data I (i) forming each pulse is initialized to 0, and the pulse determination value f is changed to 1. Next, step S29
Then, the code number k is incremented by 1, and step S30
Then, I (i) is stored in the RAM as M (j, k) indicating that it is the kth signal in the jth pulse. Then, in step S25, i is incremented by 1 and i is increased to e2.
If it has not reached (N in step S26)
o ”), I (i) and Z (i) are read again. If I (i) read in this way is again above the threshold value Ith (“ No ”in step S23), the current The set pulse judgment value f is 1 (“N” in step S27).
o ”), only the code number k of the signal is incremented by 1 (step S29), and I (i) is stored in the RAM again as M (j, k) (step S30). (i)
However, when it becomes smaller than the threshold value Ith again (“Yes” in step S23), the pulse determination value f is reset to 0 (step S24), and i is incremented by 1 (step S25).
【0037】以上の処理により、光出力データI(i)のう
ちパルスを形成しているもののみが、RAMに格納され
る。より詳しくは、j番目のパルスを形成しているk番目
の光出力データI(i)が、M(j,k)データとして、RAM
に格納される。Through the above processing, only the light output data I (i) forming the pulse are stored in the RAM. More specifically, the kth optical output data I (i) forming the jth pulse is stored in the RAM as M (j, k) data.
Stored in.
【0038】パルス頂点演算処理では、図6に示すよう
に、ステップS41〜S50で、パルス−パルス分離処
理のステップS21〜S30と同様な処理を行うことに
より、j番目のパルスを形成しているk番目の光出力デー
タIiを、M(j,k)データとしてRAMに格納する。つぎ
に、ステップS51にて、k番目の光出力データM(j,k)
と、その一つ前の光出力データM(J,k-1)とを比較して、
M(j,k)の方が大きい場合にのみ(ステップS51で、”
Yes”)、これを、j番目のパルスの最大(頂点)値P
maxとしてRAMに格納し(ステップS52)、かかるM
(j,k)たるI(i)に対応するZiを、j番目のパルスのピーク
位置Pz(j)として、RAMに格納する(ステップS5
3)。この結果、iがe2に達して(ステップS46で”
Yes”)処理が終了した際には、各j番目のパルスを
形成する光出力データM(j,k)の中の最大値Pmax(j)が求
められると共に、光出力データが最大Pmax(j)となった
時、すなわち、パルス頂点が得られた時点の位置データ
Pz(j)が求められ、RAMに格納される。このようにし
て求められた各j番目のパルスの頂点位置Pz(j)は、試料
の有する複数の境界面の各j番目の境界面の位置を示し
ている。したがって、演算・制御装置30は、隣合うパ
ルスの頂点位置間距離Pz(j)-Pz(j-1)を演算することに
より、試料Sの隣あう境界面間の距離を求める。In the pulse vertex calculation process, as shown in FIG. 6, in steps S41 to S50, the j-th pulse is formed by performing the same process as steps S21 to S30 of the pulse-pulse separation process. The kth optical output data Ii is stored in the RAM as M (j, k) data. Next, in step S51, the k-th optical output data M (j, k)
And the previous optical output data M (J, k-1),
Only when M (j, k) is larger (in step S51, "
Yes ”), which is the maximum (apex) value P of the j-th pulse
Stored in RAM as max (step S52), M
Zi corresponding to I (i) which is (j, k) is stored in the RAM as the peak position Pz (j) of the j-th pulse (step S5).
3). As a result, i reaches e2 (in step S46, "
Yes ”), the maximum value Pmax (j) in the optical output data M (j, k) forming each j-th pulse is obtained, and the maximum optical output data Pmax (j ), That is, the position data at the time when the pulse peak was obtained
Pz (j) is determined and stored in RAM. The apex position Pz (j) of each j-th pulse thus obtained indicates the position of each j-th boundary surface of the plurality of boundary surfaces of the sample. Therefore, the calculation / control device 30 calculates the distance between the adjacent boundary surfaces of the sample S by calculating the distance Pz (j) -Pz (j-1) between the vertex positions of the adjacent pulses.
【0039】一方、パルス重心点演算処理では、図7に
示すように、ステップS60〜S67にてパルス−パル
ス分離処理のステップS21〜S28と同様な処理を行
うことにより、光出力データI(i)のうち各j番目のパル
スを形成しているもののみについて、以下の処理を行
う。すなわち、光出力データIiが初めてしきい値Ithを
越えてj番目のパルス内に入ると(ステップS66
で、”Yes”)、重み付け和Sum(j,0)を0に初期設
定し(ステップS68)、パルス内符番kを1インクリ
メントして(ステップS69)、以下の数式を演算し、
その演算結果たる重み付け和Sum(j,k)を、RAMに格納
する。 Sum(j,k) = Sum(j,k-1) + I(i)*z(i) つぎに、現在の符番kをKmax(j)として設定し、現在のパ
ルス番号jをJmaxとして設定し、さらに、現在のI(i)に
対応するZ(i)を、Zk(j,k)として設定する(ステップS
71)。On the other hand, in the pulse center-of-gravity point calculation process, as shown in FIG. 7, by performing the same processes as steps S21 to S28 of the pulse-pulse separation process in steps S60 to S67, the optical output data I (i The following processing is performed only for the pulse forming the j-th pulse of That is, when the optical output data Ii exceeds the threshold value Ith for the first time and enters the j-th pulse (step S66).
, "Yes"), the weighted sum Sum (j, 0) is initialized to 0 (step S68), the pulse code k is incremented by 1 (step S69), and the following mathematical expression is calculated.
The weighted sum Sum (j, k) as the calculation result is stored in the RAM. Sum (j, k) = Sum (j, k-1) + I (i) * z (i) Next, set the current code number k as Kmax (j) and the current pulse number j as Jmax. Then, Z (i) corresponding to the current I (i) is set as Zk (j, k) (step S
71).
【0040】ステップS64にてiを1インクリメント
しながら、各j番目のパルスについて、上記処理を繰り
返していくことにより、ステップS65にて、iがe2に
達した時点では、各j番目のパルスについて、これを構
成するすべての位置データZ(i)を対応する光出力データ
I(i)で重み付けした値の和ΣI(i)*Z(i)が、Sum(j,Kma
x)として求められ、RAMに格納されている。また、
全パルス数として、Jmaxが設定される。さらに、各j番
目のパルスを構成するすべての位置データZ(i)が、Zk
(j,k)として、RAMに格納されている。By repeating the above processing for each jth pulse while incrementing i by 1 in step S64, at the time point when i reaches e2 in step S65, each jth pulse is , All the position data Z (i) that compose this, corresponding optical output data
The sum ΣI (i) * Z (i) of the values weighted by I (i) is Sum (j, Kma
x) and stored in RAM. Also,
Jmax is set as the total number of pulses. Furthermore, all position data Z (i) that make up each j-th pulse are Zk
It is stored in the RAM as (j, k).
【0041】つぎに、ステップS72で、まず、jを1
に設定し、第1番目のパルスについて、ステップS73
で以下の数式を演算する。 MSum(j) = Sum(j,Kmax(j))/2 すなわち、ステップS73では、各j番目のパルスにつ
いて、それを構成するすべての位置データZ(i)を対応す
る光出力データI(i)で重み付けした値の和Sum(j,Kmax
(j))の半分の値(=ΣI(i)*Z(i)/2)であるMSum(j)を
求める。つぎに、符番kをまず1に設定して(ステップ
S74)、RAMに格納されている対応するSum(j,k)
と、求めたMSum(j)とを比較する(ステップS75)。
そして、Sum(j,k)がMSum(j)を越えるまで、符番kを1ず
つインクリメントしながら(ステップS76)、比較を
繰り返し行う(ステップS75)。Sum(j,k)がMSum(j)
を越えたら(ステップS75で、”Yes”)、以下の
数式を演算して、各j番目のパルスの重心位置ZG(j)を求
める。 ZG(j) = Zk(j,k-1) + {Zk(j,k)-Zk(j,k-1)}{MSum(j) -
Sum(j,k-1)}/{Sum(j,k)- Sum(j,k-1)} そして、現在のjが全パルス数Jmaxに達するまで(ステ
ップS78)、jを1ずつインクリメントしながら(ス
テップS79)、ステップS73〜S77を繰り返して
いくことにより、各j番目のパルスの重心位置ZG(j)が求
められ、RAMに格納される。このようにして求められ
た各j番目のパルスの重心点位置ZG(j)も、試料の有する
複数の境界面の各j番目の境界面の位置を示している。
したがって、演算・制御装置30は、隣あうパルスの重
心点位置間距離ZG(j)-ZG(j-1)を演算することにより、
試料Sの隣あう境界面間の距離を求める。Next, in step S72, j is set to 1
Is set to step S73 for the first pulse.
The following formula is calculated with. MSum (j) = Sum (j, Kmax (j)) / 2 That is, in step S73, for each j-th pulse, all the position data Z (i) constituting it are converted into the corresponding optical output data I (i). ) Sum of values weighted by Sum (j, Kmax
MSum (j), which is half the value of (j)) (= ΣI (i) * Z (i) / 2), is obtained. Next, the code k is first set to 1 (step S74), and the corresponding Sum (j, k) stored in the RAM is stored.
And the obtained MSum (j) are compared (step S75).
Then, the comparison is repeated (step S75) while incrementing the code number k by 1 (step S76) until Sum (j, k) exceeds MSum (j). Sum (j, k) is MSum (j)
If it exceeds ("Yes" in step S75), the following mathematical expression is calculated to obtain the barycentric position ZG (j) of each j-th pulse. ZG (j) = Zk (j, k-1) + {Zk (j, k) -Zk (j, k-1)} {MSum (j)-
Sum (j, k-1)} / {Sum (j, k)-Sum (j, k-1)} Then, increment j by 1 until the current j reaches the total pulse number Jmax (step S78). While (step S79), by repeating steps S73 to S77, the barycentric position ZG (j) of each j-th pulse is obtained and stored in the RAM. The center-of-gravity point position ZG (j) of each j-th pulse thus obtained also indicates the position of each j-th boundary surface of the plurality of boundary surfaces of the sample.
Therefore, the arithmetic / control device 30 calculates the distance ZG (j) -ZG (j-1) between the centers of gravity of adjacent pulses by
The distance between the adjacent boundary surfaces of the sample S is calculated.
【0042】パルス最小微分値点演算処理では、図8に
示すように、ステップS90〜S97にて、パルス重心
位置演算処理のステップS60〜S67と同様な処理を
行うことにより、光出力データI(i)のうち各j番目のパ
ルスを形成しているもののみについて、以下の処理を行
う。すなわち、光出力データI(i)が初めてしきい値Ith
を越えてj番目のパルス内に入ると(ステップS96
で、”Yes”)、最小差分値Dmin(j)を、I(i)-I(i-1)
に初期設定し(ステップS98)、パルス内符番kを1
インクリメントする(ステップS99)。そして、各j
番目のパルスのk番目の光出力データI(i)に対する差分
値D(j,k)として、I(i)-I(i-1)を演算する(ステップS
100)。そして、この各j番目のパルスのk番目の光出
力データI(i)に対する差分値D(j,k)の絶対値(ABS(D(j,
k)))を、最小差分値Dmin(j)と比較する(ステップS1
01)。ABS(D(j,k))の方が小さい場合には(ステップ
S101で、”Yes”)、最小差分値Dmin(j)とし
て、このk番目の光出力データI(i)に対する差分値D(j,
k)を設定する(ステップS102)。また、各j番目の
パルスの最小差分値位置ZD(j)として、このk番目の光出
力データI(i)に対応するZ(i)を設定する。In the pulse minimum differential value point calculation processing, as shown in FIG. 8, in steps S90 to S97, the optical output data I ( The following processing is performed only for the pulse forming the j-th pulse in i). That is, the optical output data I (i) is the threshold Ith for the first time.
When it enters the j-th pulse beyond (step S96
Then, "Yes"), and the minimum difference value Dmin (j) is I (i) -I (i-1)
Initially set to (step S98), pulse code k is set to 1
Increment (step S99). And each j
I (i) -I (i-1) is calculated as the difference value D (j, k) with respect to the kth optical output data I (i) of the th pulse (step S
100). Then, the absolute value of the difference value D (j, k) with respect to the kth optical output data I (i) of each jth pulse (ABS (D (j,
k))) is compared with the minimum difference value Dmin (j) (step S1).
01). If ABS (D (j, k)) is smaller ("Yes" in step S101), the difference value D for this k-th optical output data I (i) is set as the minimum difference value Dmin (j). (j,
k) is set (step S102). Further, Z (i) corresponding to the kth optical output data I (i) is set as the minimum difference value position ZD (j) of each jth pulse.
【0043】ステップS94にてiを1インクリメント
しながら、各j番目のパルスについて、上記処理を繰り
返していくことにより、ステップS95にて、iがe2に
達した時点では、各j番目のパルスについて、差分値が
最小となる位置ZD(j)が求められ、RAMに格納され
る。このようにして求められた各j番目のパルスの最小
微分値点位置ZD(j)も、試料の有する複数の境界面の各j
番目の境界面の位置を示している。したがって、演算・
制御装置30は、隣あうパルスの最小差分値点間距離ZD
(j)-ZD(j-1)を演算することにより、試料Sの隣あう境
界面間の距離を求める。By repeating the above-mentioned processing for each j-th pulse while incrementing i by 1 in step S94, when i reaches e2 in step S95, for each j-th pulse. , The position ZD (j) having the smallest difference value is obtained and stored in the RAM. The position ZD (j) of the minimum differential value of each j-th pulse obtained in this way is also j
The position of the th boundary surface is shown. Therefore, the calculation
The control device 30 determines the minimum difference value inter-point distance ZD of adjacent pulses.
By calculating (j) -ZD (j-1), the distance between the adjacent boundary surfaces of the sample S is obtained.
【0044】図9は、上記本実施例の微小位置測定装置
1を具体化した液晶セルギャップ測定装置を示す。この
液晶セルギャップ測定装置は、液晶ディスプレイモジュ
ールの液晶セルギャップを測定すると共にその顕微鏡像
をも同時に観察可能としたものである。FIG. 9 shows a liquid crystal cell gap measuring device embodying the minute position measuring device 1 of the present embodiment. This liquid crystal cell gap measuring device measures the liquid crystal cell gap of the liquid crystal display module and at the same time makes it possible to observe the microscope image thereof.
【0045】図9に示すように、この液晶セルギャップ
測定装置では、レーザダイオードパッケージ10と、増
幅器18と、コリメータレンズ22と、対物レンズ24
を載置したピエゾステージ26とが、顕微鏡ホルダー5
2上に配置されている。ピエゾステージ26は、顕微鏡
ホルダー52に対し、光軸Z方向に振動可能に設けられ
ている。また、試料Sたる液晶ディスプレイモジュール
を載置するための試料台54が、顕微鏡ホルダー52に
対し、光軸Z方向に微調整可能に設けられている。な
お、対物レンズ24としては、無限鏡筒長補正タイプ、
あるいは、有限鏡筒長補正タイプの射出瞳側端面におよ
そ光学鏡筒長の正負反転させた焦点距離をもつ凹レンズ
を使用することができる。なお、計測の分解能を上げる
ためには、対物レンズ24はできるだけ開口数NAの大
きなものを使用することが望ましい。なお、本具体例で
は、位置センサー27をピエゾステージ26上に新たに
設け、ピエゾステージ26の光軸Z方向の位置(例え
ば、ピエゾステージ26の固定台34からの距離z)を
検出するようにしている。この位置センサー27は、ピ
エゾステージ26と共に、ピエゾドライバー28により
駆動される。As shown in FIG. 9, in this liquid crystal cell gap measuring device, the laser diode package 10, the amplifier 18, the collimator lens 22, and the objective lens 24 are used.
The piezo stage 26 on which the
It is located on the 2nd. The piezo stage 26 is provided so as to be capable of vibrating in the optical axis Z direction with respect to the microscope holder 52. A sample table 54 for mounting a liquid crystal display module, which is a sample S, is provided on the microscope holder 52 so as to be finely adjustable in the optical axis Z direction. As the objective lens 24, an infinite lens barrel length correction type,
Alternatively, it is possible to use a finite lens barrel length correction type concave lens having a focal length obtained by inverting the positive / negative of the optical lens barrel length at the exit pupil side end surface. In order to increase the resolution of measurement, it is desirable to use the objective lens 24 having a large numerical aperture NA. In this specific example, a position sensor 27 is newly provided on the piezo stage 26 to detect the position of the piezo stage 26 in the optical axis Z direction (for example, the distance z of the piezo stage 26 from the fixed base 34). ing. The position sensor 27 is driven by a piezo driver 28 together with the piezo stage 26.
【0046】顕微鏡ホルダー52上には、さらに、顕微
鏡像撮像用光源50と、集光レンズ系46と、結像レン
ズ44と、ビデオカメラ48が、設けられている。ビー
ムスプリッタ40が、コリメータレンズ22からのレー
ザ光を反射して対物レンズ24に導くと共に、液晶ディ
スプレイモジュールSで反射されたレーザ光をレーザダ
イオードパッケージ10に帰還させるべく、設けられて
いる。このビームスプリッタ40は、偏光ビームスプリ
ッタあるいはダイクロイックミラーとし、レーザダイオ
ードパッケージ10からのレーザ光と、液晶セルSで反
射されたレーザ光を効率良く反射させるようにすること
が好ましい。また、別のビームスプリッタ42が、集光
レンズ系46からの光を反射して対物レンズ24に導く
ように設けられている。この光は、液晶ディスプレイモ
ジュールSで反射され、その像を担持する。なお、ビー
ムスプリッタ40及び42は、液晶ディスプレーモジュ
ールの像を担持した対物レンズ24からの光を透過さ
せ、ビデオカメラ48に導く役割をも果たす。モニタ3
3が、ビデオカメラ48に接続されており、ビデオカメ
ラ48で撮像された像を表示する。On the microscope holder 52, a light source 50 for picking up a microscope image, a condenser lens system 46, an image forming lens 44, and a video camera 48 are further provided. The beam splitter 40 is provided to reflect the laser light from the collimator lens 22 to guide it to the objective lens 24 and to return the laser light reflected by the liquid crystal display module S to the laser diode package 10. The beam splitter 40 is preferably a polarization beam splitter or a dichroic mirror so that the laser light from the laser diode package 10 and the laser light reflected by the liquid crystal cell S can be efficiently reflected. Further, another beam splitter 42 is provided so as to reflect the light from the condenser lens system 46 and guide it to the objective lens 24. This light is reflected by the liquid crystal display module S and carries the image thereof. The beam splitters 40 and 42 also play a role of transmitting the light from the objective lens 24 carrying the image of the liquid crystal display module and guiding it to the video camera 48. Monitor 3
3 is connected to the video camera 48 and displays the image captured by the video camera 48.
【0047】上記構成の光学系においては、顕微鏡像撮
像用光源50からの光は、集光レンズ系46にて集光さ
れ、ビームスプリッタ42で反射され、さらに、ビーム
スプリッタ40を透過して、液晶ディスプレイモジュー
ルS上に照射される。この光は、液晶ディスプレイモジ
ュールSで反射され、その顕微鏡像を担持する。かかる
顕微鏡像担持光は、ビームスプリッタ40、42を透過
して、結像レンズ44にて、ビデオカメラ48の撮像面
に結像される。こうしてビデオカメラ48で捕らえられ
た液晶ディスプレイモジュール像は、モニタ33の画面
上に映し出される。また、レーザダイオードパッケージ
10からのレーザ光は、コリメータレンズ22にて平行
光束とされ、ビームスプリッタ40により90度曲げら
れて対物レンズ24に向かう。液晶ディスプレイモジュ
ールSにて反射されたレーザ光は、ビームスプリッタ4
0にて反射されて、レーザダイオードパッケージ10に
帰還する。ここで、対物レンズ24がピエゾステージ2
6と共に光軸Z方向に振動しているため、レーザダイオ
ード12に帰還する光量は、試料が対物レンズ焦点深度
内に入ると、試料Sと対物レンズ24との距離に対応し
て変動する。なお、液晶ディスプレイモジュールSで反
射されたレーザ光のうちビームスプリッタ40及び42
を透過したもれ光は、レーザビームスポットとして、ビ
デオカメラ48に撮像され、モニタ33の画面ほぼ中心
に映し出される。In the optical system configured as described above, the light from the light source 50 for capturing a microscope image is condensed by the condenser lens system 46, reflected by the beam splitter 42, further transmitted through the beam splitter 40, The liquid crystal display module S is illuminated. This light is reflected by the liquid crystal display module S and carries the microscope image thereof. The microscope image-carrying light passes through the beam splitters 40 and 42 and is imaged by the imaging lens 44 on the imaging surface of the video camera 48. The liquid crystal display module image thus captured by the video camera 48 is displayed on the screen of the monitor 33. The laser light from the laser diode package 10 is collimated by the collimator lens 22 into a parallel light flux, which is then bent 90 degrees by the beam splitter 40 and directed toward the objective lens 24. The laser light reflected by the liquid crystal display module S is reflected by the beam splitter 4
It is reflected at 0 and returns to the laser diode package 10. Here, the objective lens 24 is the piezo stage 2
6 vibrates in the optical axis Z direction together with 6, the amount of light returned to the laser diode 12 fluctuates corresponding to the distance between the sample S and the objective lens 24 when the sample enters the focal depth of the objective lens. The beam splitters 40 and 42 of the laser light reflected by the liquid crystal display module S are
The leaked light that has passed through is captured by the video camera 48 as a laser beam spot, and is displayed almost at the center of the screen of the monitor 33.
【0048】本具体例では、演算・制御装置30は、演
算部たるコンピュータ300と制御部たるコントローラ
301から構成されている。コンピュータ300は、図
4〜8の演算処理を行うためのものである。コントロー
ラ301は、マイクロコンピュータに、ピエゾドライバ
ー28とレーザダイオード駆動電源16が一体内蔵され
たものである。コントローラ301には、さらに、増幅
器18から出力されるアナログの光出力信号と位置セン
サー27から出力されるアナログの位置信号を受け取
り、それらを、デジタル信号に変換するためのアナログ
/デジタル変換器も設けられている。コントローラ30
1の外側表面には、ピエゾドライバー28をパワーオン
して、ピエゾステージ26の圧電素子に電圧を印加する
と共に位置センサ27の駆動を開始するためのピエゾ駆
動電源スイッチ302と、レーザダイオード駆動電源1
6をパワーオンするためのレーザダイオードスイッチ3
04と、ピエゾドライバー28にピエゾステージ26へ
の印加電圧を走査させるためのピエゾスキャンスイッチ
306と、光源50を点灯させるための光源スイッチ3
08と、レーザダイオード12が点灯状態にあることを
示す警告ランプ310と、ピエゾドライバー28が電圧
走査状態にあることを示すピエゾインジケータ312が
設けられている。In this specific example, the arithmetic / control unit 30 comprises a computer 300 as an arithmetic unit and a controller 301 as a control unit. The computer 300 is for performing the arithmetic processing of FIGS. The controller 301 is a microcomputer in which the piezo driver 28 and the laser diode drive power supply 16 are integrated. The controller 301 is further provided with an analog / digital converter for receiving an analog optical output signal output from the amplifier 18 and an analog position signal output from the position sensor 27 and converting them into a digital signal. Has been. Controller 30
On the outer surface of 1, the piezo driver 28 is powered on to apply a voltage to the piezoelectric element of the piezo stage 26 and to start driving the position sensor 27, and the laser diode drive power source 1
Laser diode switch 3 for powering on 6
04, a piezo scan switch 306 for causing the piezo driver 28 to scan the voltage applied to the piezo stage 26, and a light source switch 3 for turning on the light source 50.
08, a warning lamp 310 indicating that the laser diode 12 is in a lighting state, and a piezo indicator 312 indicating that the piezo driver 28 is in a voltage scanning state are provided.
【0049】上記構成の本具体例の操作方法を、以下、
説明する。まず操作者は、試料たる液晶ディスプレイモ
ジュールを試料台54上にセットし、ピエゾ駆動電源ス
イッチ302を投入する。ピエゾドライバー28は、ピ
エゾステージ26の圧電素子に電圧を印加すると共に、
位置センサ27の駆動を開始する。この結果、位置セン
サ27は、ピエゾステージの位置信号をコントローラ3
01へ送出しはじめる。次に、操作者は、レーザダイオ
ードスイッチ304をONにする。すると、警告ランプ
310が点灯し、レーザダイオード12が点灯状態にな
る。操作者は、さらに、ピエゾスキャンスイッチ306
をONにする。ピエゾドライバー28が、ピエゾステー
ジの圧電素子へ印加する駆動電圧のスキャンを開始す
る。操作者は、さらに、光源スイッチ308をONし、
光源50を点灯させる。この結果、通常の顕微鏡像とし
てビデオカメラ48で捕らえられた試料像が、モニタ3
3画面上に映し出され、同時にレーザビームスポット
も、モニタ画面ほぼ中心に映し出される。コントローラ
301は、ホトダイオード14から出力され増幅器18
で増幅された光出力信号と、位置センサー27から出力
された位置信号を受取り、AD変換する。コントローラ
301は、さらに、デジタル変換された光出力信号と位
置信号の位相を合せ同期をとった後、コンピュータ30
0に送り込む。コンピュータ300は、さらに、図4〜
8に示す演算処理を行うことにより、信号波形の特徴点
たるピーク位置、重心位置、または、微分値最小位置を
演算し、その間の距離を演算して液晶セルギャップを求
める。The operation method of this specific example having the above-mentioned configuration will be described below.
explain. First, the operator sets the liquid crystal display module, which is a sample, on the sample table 54, and turns on the piezo drive power switch 302. The piezo driver 28 applies a voltage to the piezoelectric element of the piezo stage 26 and
The driving of the position sensor 27 is started. As a result, the position sensor 27 outputs the position signal of the piezo stage to the controller 3
Start sending to 01. Next, the operator turns on the laser diode switch 304. Then, the warning lamp 310 is turned on and the laser diode 12 is turned on. The operator further selects the piezo scan switch 306.
Turn on. The piezo driver 28 starts scanning the drive voltage applied to the piezoelectric element of the piezo stage. The operator further turns on the light source switch 308,
The light source 50 is turned on. As a result, the sample image captured by the video camera 48 as a normal microscope image is displayed on the monitor 3.
The image is displayed on three screens, and at the same time, the laser beam spot is also displayed almost at the center of the monitor screen. The controller 301 outputs the amplifier 18 from the photodiode 14.
The optical output signal amplified by and the position signal output from the position sensor 27 are received and AD-converted. The controller 301 further aligns and synchronizes the phases of the digitally converted optical output signal and the position signal, and then the computer 30
Send to 0. Computer 300 is further illustrated in FIGS.
By performing the calculation process shown in FIG. 8, the peak position, the center of gravity position, or the minimum differential value position, which is the characteristic point of the signal waveform, is calculated, and the distance between them is calculated to obtain the liquid crystal cell gap.
【0050】本発明者らは、上記図9の微小位置測定装
置を作製し、液晶ディスプレイモジュールのセルギャッ
プの測定実験を行った。なお、レーザダイオードパッケ
ージ10のレーザダイオード12として、波長670n
mで5mWパワーのものを使用した。そして、このレー
ザダイオード12を、その発振しきい値より0.5mA
程度低めで駆動した。さらに、ピエゾステージ26への
印加電圧が30Hzで正弦波駆動スキャンするように、
ピエゾドライバー28を制御した。ピエゾステージの走
査長は、ピエゾ印加電圧を最大100Vに設定すること
により最大100μmまで設定することができた。さら
に、対物レンズ24として、開口数NA0.9の対物レ
ンズを使用したところ、パルス半値幅として0.4μm
が得られ、パルスピーク位置の読み取り精度は0.1μ
m以下と高精度となり、良好な測定を行うことができ
た。The present inventors manufactured the minute position measuring device shown in FIG. 9 and conducted a measurement experiment of the cell gap of the liquid crystal display module. The laser diode 12 of the laser diode package 10 has a wavelength of 670n.
A m power of 5 mW was used. Then, the laser diode 12 is set to 0.5 mA from the oscillation threshold value.
It was driven a little lower. Furthermore, so that the applied voltage to the piezo stage 26 performs a sine wave drive scan at 30 Hz,
The piezo driver 28 was controlled. The scanning length of the piezo stage could be set up to 100 μm at maximum by setting the piezo applied voltage at 100 V at maximum. Furthermore, when an objective lens having a numerical aperture of NA 0.9 is used as the objective lens 24, the pulse half width is 0.4 μm.
The pulse peak position reading accuracy is 0.1μ.
The accuracy was as high as m or less, and good measurement could be performed.
【0051】次に、本発明の第二の実施例を、図10を
参照して説明する。第二の実施例も、第一の実施例と同
様、試料の有する複数の境界面の位置を測定し、その相
対的位置である試料の寸法を測定するための微小位置測
定装置(微小寸法測定装置)である。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Similarly to the first embodiment, the second embodiment also measures a position of a plurality of boundary surfaces of a sample and measures a relative position of the sample, that is, a minute position measuring device (a minute size measuring device). Device).
【0052】本実施例の微小位置測定装置1では、フィ
ードバック制御装置15を設け、レーザダイオード12
が常に一定の光量の光を出力するようにフィードバック
制御(オートパワーコントロール)する。すなわち、本
実施例では、フィードバック制御装置15を、レーザダ
イオード駆動電源16と増幅器18に接続している。フ
ィードバック制御装置15は、比較回路等からなり、ホ
トダイオード14から出力され増幅器18にて増幅され
た光出力信号を受け取り、この光出力信号に基づき、レ
ーザダイオード駆動電源16をフィードバック制御して
レーザダイオード12に印加する駆動電流(順方向電
流)を調整する。すなわち、レーザダイオード12が一
定の光量の光を出力するようレーザダイオード駆動電源
16の印加順方向電流をフィードバック制御する。レー
ザダイオード駆動電源16は演算・制御装置30にも接
続されており、レーザダイオード12へ印加する順方向
電流を示す信号(以下、「駆動電流信号」という)を、
演算・制御装置30に出力する。なお、フィードバック
制御装置15のフィードバック応答周波数は、ピエゾド
ライバー28の駆動周波数とストローク、対物レンズ2
4の開口数、及び、レーザダイオード12の発振波長に
応じて決定する。また、本実施例の場合にも、オートパ
ワーコントロールのパワー(順方向電流)は、レーザダ
イオード12の発振しきい値より数パーセント低めに初
期設定することが好ましい。第一の実施例と同様、信号
出力のサブピークを抑えることができるからである。In the minute position measuring device 1 of this embodiment, the feedback control device 15 is provided and the laser diode 12 is provided.
Performs feedback control (auto power control) so that it always outputs a constant amount of light. That is, in this embodiment, the feedback control device 15 is connected to the laser diode drive power supply 16 and the amplifier 18. The feedback control device 15 includes a comparison circuit and the like, receives the optical output signal output from the photodiode 14 and amplified by the amplifier 18, and feedback-controls the laser diode drive power supply 16 based on the optical output signal to control the laser diode 12 The drive current (forward current) applied to is adjusted. That is, the applied forward current of the laser diode drive power source 16 is feedback-controlled so that the laser diode 12 outputs a constant amount of light. The laser diode drive power supply 16 is also connected to the arithmetic and control unit 30, and outputs a signal indicating a forward current applied to the laser diode 12 (hereinafter, referred to as “driving current signal”).
Output to the arithmetic / control device 30. The feedback response frequency of the feedback control device 15 is the drive frequency and stroke of the piezo driver 28, the objective lens 2
It is determined according to the numerical aperture of 4 and the oscillation wavelength of the laser diode 12. Also in the case of the present embodiment, it is preferable that the power of the automatic power control (forward current) is initialized to be lower than the oscillation threshold of the laser diode 12 by several percent. This is because the sub-peak of the signal output can be suppressed as in the first embodiment.
【0053】かかる構成においては、ピエゾステージ2
6の走査にしたがいレーザスポットが試料中の境界面に
当たると、反射光がレーザダイオード12に大量に帰還
し、レーザダイオード発振が増幅変動され、レーザダイ
オード12の出力光量が増大する。ホトダイオード14
がこの増大した光出力を検出して光出力信号を出力す
る。この光出力信号は、増幅器18により増幅された
後、フィードバック制御装置15に入力される。フィー
ドバック制御装置15は、レーザダイオード駆動電源1
6がレーザダイオード12へ印加する順方向電流値を下
げることにより、レーザダイオード12への帰還光の増
大によるレーザダイオードの発光量の増加を抑え、発光
量を一定となるようにフィードバック制御する。このよ
うに、本実施例では、発光量自体は一定であるが駆動電
流が変化するため、この駆動電流を測定することで試料
中の境界の位置を測定する。In such a structure, the piezo stage 2
When the laser spot hits the boundary surface in the sample in accordance with the scanning of 6, the reflected light is largely returned to the laser diode 12, the laser diode oscillation is amplified and changed, and the output light amount of the laser diode 12 increases. Photodiode 14
Detects the increased optical output and outputs an optical output signal. The optical output signal is amplified by the amplifier 18 and then input to the feedback control device 15. The feedback control device 15 uses the laser diode drive power source 1
By reducing the forward current value 6 applied to the laser diode 12, the increase in the light emission amount of the laser diode due to the increase in the feedback light to the laser diode 12 is suppressed, and feedback control is performed so that the light emission amount becomes constant. As described above, in the present embodiment, the light emission amount itself is constant, but the drive current changes. Therefore, the position of the boundary in the sample is measured by measuring this drive current.
【0054】本実施例では、演算・制御装置30は、レ
ーザダイオード駆動電源16から出力されたアナログの
駆動電流信号とピエゾドライバ28から出力されたアナ
ログの位置信号を受け取り、これらをアナログ/デジタ
ル変換した後、その位相を合わせることにより、同期し
た駆動電流データD(i)と位置データZ(i)からなるデータ
対(D(i),Z(i))を求める。演算・制御装置30は、表
示装置32を制御して、図11に示すように、対物レン
ズ24の移動距離Z(i)とレーザダイオード12の駆動電
流D(i)の関係を表示する。この結果、試料の境界面から
の反射光が、下向きのパルス状の駆動電流信号として得
られる。演算・制御装置30は、さらに、駆動電流デー
タと位置データを演算し、かかる下向きパルス(より詳
しくは、下向きパルスの頂点、重心、あるいは、最小微
分値)の得られた際の対物レンズ24の移動距離を求め
ることにより、試料Sの境界面の対物レンズ24に対す
る相対位置を求める。試料Sは光軸Z方向に複数の境界
面をもつため、該複数の境界面からの反射光が、複数の
下向きパルス状の駆動電流信号として得られる。したが
って、演算・制御装置30は、第一の実施例と同様に、
各下向きパルス間の距離として、パルスの頂点間隔、パ
ルスの重心間隔、あるいは、パルスの最小微分値位置間
隔を演算することにより、試料の寸法を求める。In this embodiment, the arithmetic / control unit 30 receives the analog drive current signal output from the laser diode drive power source 16 and the analog position signal output from the piezo driver 28, and converts these signals into analog / digital signals. After that, by matching the phases, a data pair (D (i), Z (i)) composed of the synchronized drive current data D (i) and the position data Z (i) is obtained. The arithmetic / control device 30 controls the display device 32 to display the relationship between the moving distance Z (i) of the objective lens 24 and the drive current D (i) of the laser diode 12, as shown in FIG. As a result, the reflected light from the boundary surface of the sample is obtained as a downward pulsed drive current signal. The calculation / control device 30 further calculates the drive current data and the position data, and the objective lens 24 of the objective lens 24 when the downward pulse (more specifically, the vertex of the downward pulse, the center of gravity, or the minimum differential value) is obtained. By obtaining the moving distance, the relative position of the boundary surface of the sample S with respect to the objective lens 24 is obtained. Since the sample S has a plurality of boundary surfaces in the optical axis Z direction, the reflected light from the plurality of boundary surfaces is obtained as a plurality of downward pulsed drive current signals. Therefore, the arithmetic / control device 30 is similar to the first embodiment in that
As the distance between the downward pulses, the dimension of the sample is obtained by calculating the pulse vertex interval, the pulse centroid interval, or the pulse minimum differential value position interval.
【0055】本実施例の演算・制御装置30の行う演算
処理は、光出力データI(i)の代わりに駆動電流データD
(i)を使用する点を除き、図4〜8に示した演算処理と
略同一である。より詳しくは、本実施例では、レーザダ
イオード駆動電流の極端な減少を、試料の境界面による
帰還光の増大による影響と判断する。演算・制御装置3
0は、互いに同期した駆動電流信号と位置信号を受け取
り、駆動電流信号がその極端な減少を示す下向きパルス
を形成した時点を求め、この時点において得られた位置
信号から各境界面の位置を求める。さらに、各境界面間
の距離を求める。In the arithmetic processing performed by the arithmetic / control unit 30 of this embodiment, the drive current data D is used instead of the optical output data I (i).
It is substantially the same as the arithmetic processing shown in FIGS. 4 to 8 except that (i) is used. More specifically, in this embodiment, it is determined that the extreme decrease in the laser diode drive current is due to the increase in the feedback light due to the boundary surface of the sample. Arithmetic / control device 3
0 receives the drive current signal and the position signal which are synchronized with each other, obtains the time when the drive current signal forms a downward pulse showing its extreme decrease, and obtains the position of each boundary surface from the position signal obtained at this time. . Furthermore, the distance between each boundary surface is calculated.
【0056】本発明者らは、本実施例を具体化し図9の
構成と同様な構成をした液晶セルギャップ測定装置を作
製した。開口数NAが0.65の対物レンズ24と、波
長670nmのレーザダイオード12を使用し、ピエゾ
ステージ26をピエゾドライバー28で20Hz、40
μmストロークで走査した。オートパワーコントロール
のパワーの初期設定値を、レーザダイオード12の発振
しきい値より数パーセント低めにした。また、フィード
バック制御装置15のフィードバック応答を、百数十キ
ロHzとした。この結果、良好な結果が得られた。The present inventors have embodied the present embodiment and manufactured a liquid crystal cell gap measuring device having a structure similar to that of FIG. The objective lens 24 having a numerical aperture NA of 0.65 and the laser diode 12 having a wavelength of 670 nm are used, and the piezo stage 26 is driven by a piezo driver 28 at 20 Hz, 40 Hz.
Scanned in μm strokes. The initial setting value of the power of the auto power control is set to be a few percent lower than the oscillation threshold value of the laser diode 12. In addition, the feedback response of the feedback control device 15 is set to hundreds of tens of kilohertz. As a result, good results were obtained.
【0057】本実施例によれば、レーザダイオードの発
光量が常に一定となるようフィードバック(オートパワ
ーコントロール)をかけておき、レーザダイオードの駆
動電流を信号として取り出す。したがって、レーザダイ
オードを、常に、その定格出力を超えることなく、一定
の出力となるよう駆動することができるため、レーザダ
イオードの負担を低減できる上、外界の温度変化やレー
ザダイオード自身の発熱による影響を抑えることもでき
る。According to this embodiment, feedback (auto power control) is applied so that the light emission amount of the laser diode is always constant, and the drive current of the laser diode is extracted as a signal. Therefore, the laser diode can always be driven so as to have a constant output without exceeding its rated output, so that the load on the laser diode can be reduced and the temperature change in the external environment and the influence of heat generation of the laser diode itself. Can be suppressed.
【0058】なお、上記第一及び第二の実施例では、演
算・制御装置30は、各パルスの特徴点を演算して各境
界面の位置を求めた後、境界面間距離を演算した。しか
しながら、単に、図4〜8の演算処理を行い、境界面の
微小位置測定装置に対する位置を求めるのでもよい。例
えば、位置信号zが、対物レンズ24と固定台34表面
との距離を示している場合には、求めた各j番目のパル
スの頂点位置Pz(j)、重心点位置ZG(j)、または、最小微
分値位置ZD(j)から焦点距離fをひく演算を行うことによ
り、各j番目の境界面の固定台34表面からの距離を求
めることができる。In the first and second embodiments, the arithmetic / control unit 30 calculates the characteristic points of each pulse to obtain the position of each boundary surface, and then calculates the distance between the boundary surfaces. However, the position of the boundary surface with respect to the minute position measuring device may be simply obtained by performing the arithmetic processing of FIGS. For example, when the position signal z indicates the distance between the objective lens 24 and the surface of the fixed base 34, the obtained vertex position Pz (j) of each j-th pulse, the center of gravity position ZG (j), or , By calculating the focal length f from the minimum differential value position ZD (j), the distance of each j-th boundary surface from the surface of the fixed base 34 can be obtained.
【0059】また、図5のパルス−パルス分離処理によ
れば、パルス部分のデータのみを記憶させておき、これ
らデータを他の処理に利用することができる。しかしな
がら、この処理は省略しても良い。すなわち、図4のし
きい値決定処理を行った後、図5のパルス−パルス分離
処理を行わず、図6〜8の処理のいずれかを直接行うよ
うにしても良い。また、図6〜8の処理はそのいずれを
行っても良いが、信号出力にノイズが少ない場合には図
6の処理で頂点位置を求めるので十分であるが、ノイズ
が多い場合には図7の処理で重心位置を求めるのが好ま
しい。Further, according to the pulse-pulse separation processing of FIG. 5, it is possible to store only the data of the pulse portion and use this data for other processing. However, this process may be omitted. That is, after performing the threshold value determination process of FIG. 4, any of the processes of FIGS. 6 to 8 may be directly performed without performing the pulse-pulse separation process of FIG. Further, although any of the processes of FIGS. 6 to 8 may be performed, it is sufficient to obtain the vertex position by the process of FIG. 6 when the signal output has little noise, but FIG. It is preferable to obtain the position of the center of gravity by the processing of.
【0060】さらに、試料の有する複数の境界面の反射
率が境界面によって大幅に異なる場合には、ホトダイオ
ード14の発する光出力信号が形成するパルスの高さが
かなり異なってしまう。かかる場合には、パルスの高さ
の差を減らすために、増幅器18をログアンプとし、信
号のばらつきを抑えるようにしても良い。ログアンプで
は、その入力に対し、出力を対数にすることができるか
らである。Further, when the reflectances of a plurality of boundary surfaces of the sample are largely different depending on the boundary surfaces, the height of the pulse formed by the optical output signal emitted from the photodiode 14 is considerably different. In such a case, in order to reduce the difference in pulse height, the amplifier 18 may be a log amp to suppress signal variations. This is because the log amp can make the output logarithmic with respect to the input.
【0061】上記第一及び第二の実施例においては、試
料Sに対して対物レンズ24を走査するものとしたが、
試料Sを走査するようにしてもよい。図12は、ピエゾ
ステージ26が試料Sを移動走査させるように変更した
場合の構成を示したものである。なお、この図では、対
物レンズ24をXYZステージ80上に固定し、対物レ
ンズ24と試料Sの相対位置を微調整できるようにして
いる。In the first and second embodiments, the sample S is scanned by the objective lens 24.
The sample S may be scanned. FIG. 12 shows a configuration when the piezo stage 26 is changed so as to move and scan the sample S. In this figure, the objective lens 24 is fixed on the XYZ stage 80 so that the relative position between the objective lens 24 and the sample S can be finely adjusted.
【0062】上記第一及び第二の実施例では、試料境界
面の1次元(Z軸)方向における位置を測定している
が、本発明によれば、試料境界面の1次元における位置
を2次元的に測定することもできる。第三の実施例は、
第一の実施例の構成を応用し、2次元的測定を可能とし
た2次元走査微小位置測定装置である。すなわち、第三
の実施例は、試料の有する境界面の位置の分布を測定す
ることにより試料の形状を求めることができる微小位置
測定装置(微小形状測定装置)である。In the first and second embodiments described above, the position of the sample boundary surface in the one-dimensional (Z-axis) direction is measured. However, according to the present invention, the position of the sample boundary surface in the one-dimensional direction is two. It can also be measured dimensionally. The third example is
This is a two-dimensional scanning minute position measuring device which is capable of two-dimensional measurement by applying the configuration of the first embodiment. That is, the third embodiment is a minute position measuring apparatus (minute shape measuring apparatus) capable of obtaining the shape of the sample by measuring the distribution of the position of the boundary surface of the sample.
【0063】以下、本発明の第三の実施例を、図13〜
15を参照して説明する。図13及び14に示すよう
に、この2次元走査微小位置測定装置の光学系は、顕微
鏡ホルダー52に対しZ軸方向に摺動可能に設けられた
Zステージ104上に取付られている。また、試料S
を、顕微鏡ホルダー52に対しZ軸に垂直なX軸とY軸
に移動可能なX−Yステージ102上に載置し、光学系
と試料との位置合わせを簡便に行えるようにしている。
この装置では、コリメータ22と対物レンズ24の間
に、ガルバノメータミラー96と瞳リレーレンズ90と
が設けられている。ガルバノメータミラー96は、コリ
メータ22からのレーザ光をZ軸に直交するX軸方向に
偏向するためのものである。瞳リレーレンズ90は、対
物レンズ24の射出瞳をガルバノメータミラー96に結
像し、さらに、対物レンズ24の像点位置にレーザ光の
スポットを形成するためのものである。さらに、ガルバ
ノメータミラー96と瞳リレーレンズ90の間には、3
0゜プリズム92が設けられている。この30゜プリズ
ム92は、試料Sで反射され対物レンズ24と瞳リレー
レンズ90を経て戻ってきたレーザ光の一部をビデオカ
メラ95のカメラレンズ94に導く分岐光路を形成す
る。ビデオカメラ95は、レーザ光が照射されている試
料S上の位置を確認するためのものである。また、対物
レンズ24は、レボルバ98に装着され、試料にあわせ
て種類を選択できるようになっている。The third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
This will be described with reference to 15. As shown in FIGS. 13 and 14, the optical system of this two-dimensional scanning minute position measuring apparatus is mounted on a Z stage 104 which is slidable in the Z axis direction with respect to the microscope holder 52. Also, sample S
Is mounted on the XY stage 102 that is movable in the X-axis and Y-axis perpendicular to the Z-axis with respect to the microscope holder 52, so that the optical system and the sample can be easily aligned.
In this device, a galvanometer mirror 96 and a pupil relay lens 90 are provided between the collimator 22 and the objective lens 24. The galvanometer mirror 96 is for deflecting the laser light from the collimator 22 in the X-axis direction orthogonal to the Z-axis. The pupil relay lens 90 forms an image of the exit pupil of the objective lens 24 on the galvanometer mirror 96, and further forms a laser light spot at the image point position of the objective lens 24. Furthermore, between the galvanometer mirror 96 and the pupil relay lens 90, 3
A 0 ° prism 92 is provided. The 30 ° prism 92 forms a branched optical path that guides a part of the laser light reflected by the sample S and returned through the objective lens 24 and the pupil relay lens 90 to the camera lens 94 of the video camera 95. The video camera 95 is for confirming the position on the sample S irradiated with the laser light. The objective lens 24 is attached to the revolver 98, and the type can be selected according to the sample.
【0064】かかる構成においては、レーザダイオード
12から出たレーザ光は、コリメータ22で平行光とさ
れ、ガルバノメータミラー96、30゜プリズム92、
瞳リレーレンズ90を経て、対物レンズ24に入射し、
試料S上にスポットを形成する。試料Sからの反射光
は、以上の光路を逆にたどってレーザダイオード12に
帰還する。ガルバノメータミラー96は、レーザ光を試
料上で光軸方向Zに対して垂直なX軸方向に走査する。
ここで、ガルバノメータミラー96は、ピエゾドライバ
28によるピエゾステージ26のZ軸方向の走査周期よ
り遅い周期で、光軸Zと直角なX軸方向にレーザ光を走
査する。演算・制御装置30は、レーザダイオードパッ
ケージ10内のホトダイオード14からの光出力信号
と、ガルバノメータミラー96のX軸方向における位置
信号、及び、ピエゾステージ26のZ軸方向の位置信号
より、試料の光軸(Z軸)方向の断面形状のX軸方向に
おける分布状態を表示装置に表示する。In this structure, the laser light emitted from the laser diode 12 is collimated by the collimator 22, and the galvanometer mirror 96, the 30 ° prism 92,
After entering the objective lens 24 through the pupil relay lens 90,
A spot is formed on the sample S. The reflected light from the sample S traces back the above optical path and returns to the laser diode 12. The galvanometer mirror 96 scans the laser light on the sample in the X-axis direction perpendicular to the optical axis direction Z.
Here, the galvanometer mirror 96 scans the laser light in the X-axis direction orthogonal to the optical axis Z at a cycle slower than the scanning cycle of the piezo driver 26 in the Z-axis direction by the piezo driver 28. The calculation / control device 30 uses the optical output signal from the photodiode 14 in the laser diode package 10, the position signal in the X-axis direction of the galvanometer mirror 96, and the position signal in the Z-axis direction of the piezo stage 26 to detect the light of the sample. The distribution state of the cross-sectional shape in the axial (Z-axis) direction in the X-axis direction is displayed on the display device.
【0065】図15は、この2次元微小位置測定装置で
の信号処理を示す説明図である。今、試料の表面がX軸
方向に沿って図15(A)のように分布しているとす
る。この場合に、2次元微小位置測定装置においてレー
ザ光を光軸Z方向に走査しながらX方向に走査すると、
信号は、図15(B)に示すようなパルスの連なりとし
て観測することができる。図4〜6に示す演算処理によ
りこのパルスの特徴点としてピーク点をつなげていくこ
とにより、図15(C)に示すように試料の表面形状を
求めることができる。なお、試料が一対の外部境界面を
有する場合に、各境界面のX軸方向における分布状態か
ら、試料の形状のX軸方向における分布状態を求めるこ
とができる。さらに、試料が多層構造を有する場合に、
各境界面のX軸方向における分布状態から、試料の各層
の形状のX軸方向における分布状態を求めることができ
る。なお、第二の実施例の構成を応用して同様な2次元
微小位置測定装置を構成することができるのは勿論であ
る。FIG. 15 is an explanatory diagram showing signal processing in this two-dimensional micro position measuring device. Now, it is assumed that the surface of the sample is distributed along the X-axis direction as shown in FIG. In this case, when the laser light is scanned in the optical axis Z direction in the two-dimensional micro position measuring device while scanning in the X direction,
The signal can be observed as a series of pulses as shown in FIG. By connecting the peak points as the characteristic points of this pulse by the arithmetic processing shown in FIGS. 4 to 6, the surface shape of the sample can be obtained as shown in FIG. When the sample has a pair of external boundary surfaces, the distribution state of the sample shape in the X-axis direction can be obtained from the distribution state of each boundary surface in the X-axis direction. Furthermore, when the sample has a multilayer structure,
From the distribution state of each boundary surface in the X-axis direction, the distribution state of the shape of each layer of the sample in the X-axis direction can be obtained. It is needless to say that a similar two-dimensional micro position measuring device can be constructed by applying the configuration of the second embodiment.
【0066】本発明は、上述した実施例の微小位置測定
装置に限定されることなく、本発明の主旨から逸脱する
ことなく、種々の変更が可能となる。例えば、上記実施
例では、光源としてレーザダイオードを用いているが、
これに限られない。増倍機能を有している光源であれば
よい。例えば、レーザや、メーザ等でもよい。さらに、
ファイバ増幅器の付加された光源でも良い。The present invention is not limited to the minute position measuring apparatus of the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, a laser diode is used as the light source,
It is not limited to this. Any light source having a multiplication function may be used. For example, a laser or a maser may be used. further,
A light source to which a fiber amplifier is added may be used.
【0067】また、試料と対物レンズとの間の距離を調
整する手段としては、圧電素子を利用したピエゾステー
ジに限られない。例えば、比較的長距離の計測には、微
動ステージを用いてもよく、ピエゾステージと微動ステ
ージを併用してもよい。さらに、レーザイオード12の
出力光を検出するためのホトダイオード14としては、
上記具体例に記載したように、レーザダイオードパッケ
ージ10に内蔵されたモニター用ホトダイオードを使用
することが好ましい。しかしながら、ホトダイオード1
4は通常通りモニター用として使用し、レーザダイオー
ド12とホトダイオード14の間のビーム光路中にハー
フミラーを設けて光を分岐し、分岐された光を別に設け
られたホトダイオードにて検出して、この結果を測定に
利用するようにしてもよい。また、パルスの特徴点とし
ては、パルスのピーク点、重心点、微分値最小点の他、
様々な点が考えられる。The means for adjusting the distance between the sample and the objective lens is not limited to the piezo stage using the piezoelectric element. For example, a fine movement stage may be used for measuring a relatively long distance, or a piezo stage and a fine movement stage may be used together. Furthermore, as the photodiode 14 for detecting the output light of the laser diode 12,
As described in the above specific example, it is preferable to use the monitoring photodiode built in the laser diode package 10. However, the photodiode 1
4 is used as a monitor as usual, a half mirror is provided in the beam optical path between the laser diode 12 and the photodiode 14 to split the light, and the split light is detected by a separately provided photodiode. The result may be used for measurement. Further, as the characteristic point of the pulse, other than the peak point of the pulse, the center of gravity point, the minimum differential value point,
Various points can be considered.
【0068】[0068]
【発明の効果】以上詳述したことから明かなように、本
発明の微小位置測定装置においては、該共焦点光学系
が、該光源からの光を少なくとも一つの境界面を有する
試料に集束照射すると共に、その照射により得られる該
試料からの反射光を該光源に帰還入射させる。該走査手
段が、該共焦点光学系に対する該試料の相対位置を該光
軸方向に移動させる。かかる移動に伴い、該共焦点光学
系からの光が該少なくとも一つの境界面に集束照射され
ると、該試料からの反射光光量が増大する。この結果、
該光源に帰還入射する試料からの反射光光量が増大す
る。ここで、該光源は増幅機能を有しているため、その
出力状態が変動する。該検出手段がこの出力状態の変動
を検出する。該演算手段が、該検出手段の検出結果と該
走査手段による該試料の該共焦点光学系に対する相対位
置に基づき、該試料の該少なくとも一つの境界面の該光
軸方向における位置を演算する。かかる微小位置測定装
置によれば、試料の境界面の位置をサブミクロンから数
ミリメートル単位でも測定でき、多層構造の試料の各境
界面の位置を比較的簡単に測定できる。したがって、従
来では不可能であったサブミクロンから数ミリメートル
までの厚さ寸法の測定ができると共に、多層構造の試料
の各層の寸法・形状を非接触で比較的簡単に測定するこ
とができる。As is clear from the above description, in the minute position measuring apparatus of the present invention, the confocal optical system focuses the light from the light source onto the sample having at least one boundary surface. At the same time, the reflected light from the sample obtained by the irradiation is returned and made incident on the light source. The scanning means moves the relative position of the sample with respect to the confocal optical system in the optical axis direction. When the light from the confocal optical system is focused and irradiated on the at least one boundary surface along with the movement, the amount of reflected light from the sample increases. As a result,
The amount of reflected light from the sample that returns and enters the light source increases. Here, since the light source has an amplifying function, its output state changes. The detecting means detects the change in the output state. The calculation means calculates the position of the at least one boundary surface of the sample in the optical axis direction based on the detection result of the detection means and the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the scanning means. According to such a minute position measuring device, the position of the boundary surface of the sample can be measured in units of submicrons to several millimeters, and the position of each boundary surface of the sample having the multilayer structure can be measured relatively easily. Therefore, it is possible to measure the thickness dimension from sub-micron to several millimeters, which has been impossible in the past, and the dimension and shape of each layer of the sample having the multilayer structure can be relatively easily measured without contact.
【図1】本発明の第一の実施例の微小位置測定装置の構
成を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a micro position measuring device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1の微小位置測定装置のレーザダイオード印
加順方向電流と得られる光出力信号のパルス半値幅との
関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a relationship between a forward current applied to a laser diode and a pulse half width of an optical output signal obtained in the minute position measuring apparatus of FIG.
【図3】図1の微小位置測定装置で得られる位置データ
と光出力データからなるデータ対の形成するパルス信号
波形を示す説明図である。3 is an explanatory diagram showing a pulse signal waveform formed by a data pair consisting of position data and optical output data obtained by the micro position measuring device of FIG. 1. FIG.
【図4】図1の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うしきい値決定処理を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a threshold value determination process performed by a calculation / control device of the microposition measuring device of FIG.
【図5】図1の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス−パルス分離処理を示すフローチャートであ
る。5 is a flowchart showing a pulse-pulse separation process performed by the arithmetic / control device of the microposition measuring device of FIG.
【図6】図1の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス頂点演算処理を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing a pulse vertex calculation process performed by a calculation / control device of the microposition measuring device of FIG.
【図7】図1の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス重心点演算処理を示すフローチャートである。7 is a flow chart showing a pulse centroid calculation process performed by the calculation / control device of the microposition measuring device of FIG.
【図8】図1の微小位置測定装置の演算・制御装置の行
うパルス最小微分値点演算処理を示すフローチャートで
ある。8 is a flowchart showing a pulse minimum differential value point calculation process performed by the calculation / control device of the minute position measuring device of FIG. 1. FIG.
【図9】図1の微小位置測定装置を具体化した液晶セル
ギャップ測定装置の構成を示す説明図である。9 is an explanatory diagram showing a configuration of a liquid crystal cell gap measuring device that embodies the minute position measuring device of FIG. 1. FIG.
【図10】本発明の第二の実施例の微小位置測定装置の
構成を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a configuration of a minute position measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
【図11】図10の微小位置測定装置で得られる位置デ
ータと駆動電流データからなるデータ対の形成するパル
ス信号波形を示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing a pulse signal waveform formed by a data pair composed of position data and drive current data obtained by the minute position measuring device of FIG.
【図12】試料をピエゾステージに載置する変更例を示
す斜視図である。FIG. 12 is a perspective view showing a modified example in which a sample is placed on a piezo stage.
【図13】図1の微小位置測定装置を応用して構成する
本発明の第三の実施例の2次元走査微小位置測定装置の
構成を示す断面説明図である。13 is a cross-sectional explanatory view showing a configuration of a two-dimensional scanning micro-position measuring device of a third embodiment of the present invention configured by applying the micro-position measuring device of FIG.
【図14】図13の2次元走査微小位置測定装置の斜視
図である。14 is a perspective view of the two-dimensional scanning minute position measuring device of FIG.
【図15】(A)は、試料の表面の断面形状を示す図で
あり、(B)は、この試料を図13の2次元走査微小位
置測定装置にて測定した結果得られる一連のパルス信号
を示すグラフであり、(C)は、(B)のパルスのピー
ク点をつなげていくことにより求められる試料の表面の
断面形状を示す図である。15A is a diagram showing a cross-sectional shape of the surface of the sample, and FIG. 15B is a series of pulse signals obtained as a result of measuring the sample with the two-dimensional scanning minute position measuring device of FIG. FIG. 4C is a graph showing the cross-sectional shape of the surface of the sample, which is obtained by connecting the peak points of the pulse shown in FIG.
1 微小位置測定装置 12 レーザダイオード 14 ホトダイオード 15 フィードバック制御装置 16 レーザダイオード駆動電源 20 共焦点光学系 26 ピエゾステージ 30 演算・制御装置 1 Micro Position Measuring Device 12 Laser Diode 14 Photodiode 15 Feedback Control Device 16 Laser Diode Driving Power Supply 20 Confocal Optical System 26 Piezo Stage 30 Arithmetic / Control Device
Claims (1)
光の光軸方向に沿って共焦点系を構成することにより、
該光源からの光を少なくとも一つの境界面を有する試料
に集束照射し、かつ、該試料からの反射光を該光源に帰
還入射させるための共焦点光学系と、該共焦点光学系に
対する該試料の相対位置を該光軸方向に移動させる走査
手段と、該光源に帰還入射する試料からの反射光の光量
により変動する該光源の出力状態を検出するための検出
手段と、該検出手段の検出結果と該走査手段による該試
料の該共焦点光学系に対する相対位置に基づき、該試料
の該少なくとも一つの境界面の該光軸方向における位置
を演算するための演算手段を備えることを特徴とする、
試料の境界面の位置を測定するための微小位置測定装
置。1. A light source having a multiplication function, and a confocal system configured along an optical axis direction of light from the light source,
A confocal optical system for focusing and irradiating light from the light source onto a sample having at least one boundary surface, and returning reflected light from the sample to the light source, and the sample for the confocal optical system. Means for moving the relative position of the light source in the optical axis direction, a detection means for detecting the output state of the light source that varies depending on the amount of light reflected from the sample that is returned to the light source, and the detection means. A calculation means for calculating the position in the optical axis direction of the at least one boundary surface of the sample based on the result and the relative position of the sample with respect to the confocal optical system by the scanning means. ,
A micro position measuring device for measuring the position of the boundary surface of a sample.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6234154A JP2852190B2 (en) | 1994-09-02 | 1994-09-02 | Micro position measuring device |
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- 1994-09-02 JP JP6234154A patent/JP2852190B2/en not_active Expired - Fee Related
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