JP3146538B2 - 非接触高さ計測装置 - Google Patents

非接触高さ計測装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、測定対象物に微小ビー
ム光を照射し、その反射光を用いて測定対象物の高さを
測定することを特徴とする非接触高さ計測装置に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】近年、高さ計測には微小ビーム光を用い
た非接触方式がよく用いられている。以下に従来の技術
について説明する。図5は従来の非接触高さ計測装置の
原理を示すものである。図5において、1は微小ビーム
光を発生するための光源である。2は測定対象物3の載
置された基板11上に微小ビーム光をスポット照射する
ための光学系である。4は測定対象物3からの垂直方向
への反射光を偏向するハーフミラーである。5は偏向さ
れた前記反射光を集光するためのレンズ系である。8は
レンズ系5を通過後の反射光の光量を検出する光電変換
素子である。7は光電変換素子8に照射される反射光を
制限するしぼりである。10はレンズ移動アクチュエー
タで、レンズ系5を光軸方向に移動させて、光電変換素
子8に照射される光量を変化させるものである。
【0003】以上のように構成された非接触高さ計測装
置について、以下にその動作を説明する。まず、測定対
象物3に光源1及び光学系2から微小ビーム光をスポッ
ト照射し、そのスポット照射位置からの垂直方向への反
射光をハーフミラー4によりレンズ系5の方向に偏向す
る。そして、レンズ系5により集光された反射光をしぼ
り7で制限して、その光量を光電変換素子8で測定す
る。この際、反射光の焦点位置の光量は最大となること
を利用し、光電変換素子8の出力が最大となるようにレ
ンズ系5をレンズ移動アクチュエータ10により光軸方
向に移動し、その時のレンズ系5の位置を知ることで測
定対象物3の高さが計測できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、光電変換素子の出力が最大となるように、
レンズ系5をレンズ移動アクチュエータ10により移動
させなければならないために、測定に時間を要してしま
う。さらに、光電変換素子8を1つしか用いないため
に、測定対象物の表面状態のむらによる反射光の光量分
布のばらつきにより光量の最大値が正しく計測できず、
測定誤差が生じるという問題点を有していた。
【0005】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、測定対象物の高さを高精度,高速に測定する計測装
置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の非接触高さ計測装置は、微小ビーム光を発生
する光源と、前記微小ビーム光を測定対象物上に集光し
照射する光学系と、前記測定対象物上の前記微小ビーム
光の照射位置からの反射光を集光するレンズ系と、前記
レンズ系により集光された前記反射光を2つの光路に分
光する分光手段と、前記分光手段により分光された一方
の反射光の収束する光を順次異なる方向に偏向するよう
光路長の異なる位置に配置され、前記分光後の反射光を
偏向すると同時にその光量を制限する同じ大きさのしぼ
りを備えた複数のしぼり手段と、前記各しぼり手段のし
ぼりを通過した光をそれぞれ受光し、その受光量に応じ
た電気的出力に変換する第一の光電変換手段と、前記分
光手段により分光された他方の反射光の拡大する光を順
次異なる方向に偏向するよう光路長の異なる位置に配置
され、前記分光後の反射光を偏向すると同時にその反射
光の光量を制限する同じ大きさのしぼりを備えた複数の
偏向手段と、前記偏向手段により偏向された光をそれぞ
れ受光し、受光量に応じた電気的出力に変換する第二の
光電変換手段とを有し、前記第一と第二の光電変換手段
の電気的出力の比較において前記測定対象物の高さを測
定するものである。
【0007】
【作用】上記構成によれば、得られた各光電変換手段
出力の累積値を利用して光路長を求めることで焦点距離
がわかる。そのため、レンズ系を移動させることなく高
速に測定対象物の高さを計測できる。さらに、複数の光
電変換手段から光量と光路長の関係を近似するため、測
定対象物の表面状態のむらによる反射光の光量分布のば
らつきのために一部の光電変換素子の出力に誤差が生じ
ても、影響を受けることが少なくなり、高精度に高さが
計測できる。
【0008】
【実施例】以下本発明の第1の実施例について、図面を
参照しながら説明する。図1は第1の実施例における非
接触高さ計測装置の概略図である。図1において1は微
小ビーム光を発生するための光源、2は前記微小ビーム
光を測定対象物3にスポット照射するための光学系、4
は測定対象物3のスポット照射位置からの垂直方向への
反射光を偏向するためのハーフミラー、5はハーフミラ
ー4により偏向された反射光を集光するためのレンズ
系、6はレンズ系5を通過後の反射光を第一および第二
の光路の2方向へ分光するためのビームスプリッタであ
る。9は反射光を偏向しかつ同一の絞り量に制限するた
めの絞り付き反射鏡であり、例えば図3に示すような、
それぞれしぼり部分の大きさの等しい穴あきミラーが用
いられる。8は各絞り付き反射鏡9で反射後または各絞
り付き反射鏡9のしぼりを通過後の反射光の光量を検出
するための光電変換素子である。
【0009】図中、第一の光路の焦点付近の反射光が収
束するA部では、絞り付き反射鏡9のしぼりを通過後の
光量を、第二の光路の焦点付近の反射光が拡大するB部
では、絞り付き反射鏡9による反射光の光量を測定でき
るように、絞り付き反射鏡9と光電変換素子8が配置さ
れている。この第一の光路のA部および第二の光路のB
部での絞り付き反射鏡9および光電変換素子8の配置に
ついて図2を用いてさらに詳しく説明する。まず、図2
(a)において、第一の光路のA部は焦点付近の反射光
が収束する光路であり、この光路上に絞り付き反射鏡9
A1を配置する。そして、絞り付き反射鏡9A1のしぼりを
通過した反射光を受光できるように光電変換素子8A1
配置する。続いて、絞り付き反射鏡9A1により反射され
た反射光の光路上に絞り付き反射鏡9A2を配置し、絞り
付き反射鏡9A2のしぼりを通過した反射光を受光できる
ように光電変換素子8A2を配置する。同様にこの絞りつ
き反射鏡と光電変換素子の組合わせの配置をn回繰り返
し、n番目の絞り付き反射鏡9Anを必ず焦点より後ろに
配置する。
【0010】また、図2(b)において、第二の光路の
B部は焦点付近の反射光が拡大する光路であり、この光
路上では焦点位置よりも前に必ずなるように、絞り付き
反射鏡9B1を配置する。そして、絞り付き反射鏡9B1
より反射された光を受光できるように光電変換素子8B1
を配置する。続いて、絞り付き反射鏡9B1のしぼりを通
過した反射光の光路上にしぼり付き反射鏡9B2を配置
し、絞り付き反射鏡9B2により反射された反射光を受光
できるように光電変換素子8B2を配置する。同様にこの
絞り付き反射鏡と光電変換素子の組合せの配置をn回繰
り返す。そして、絞り付き反射鏡9Bnのしぼりを通過し
た反射光を最後に受光する光電変換素子8Bn+1を配置す
る。
【0011】以上のように構成された高さ計測装置につ
いて、光電変換素子8の出力値の処理方法について説明
をする。反射光の収束する第一の光路のA部では、絞り
付き反射鏡9のしぼりを通過後の光量を測定するため、
絞り付き反射鏡に照射される光像が反射鏡のしぼりより
小さくなり反射鏡面での反射がなくなると、それ以降に
位置する光電変換素子群の出力は0となる。この位置を
第一の光路のA部でi番目とする。同様に、第二の光路
のB部においても、絞り付き反射鏡9で偏向されず、光
電変換素子8の出力が0となるときの位置をj番目とす
る。第二の光路の反射光の拡大するB部においてj番目
より前の光電変換素子の出力値は無視して0とし、j番
目以後の光電変換素子の出力値に対して補正を加える。
つまり、第一の光路のA部での光電変換素子の出力値の
合計Σ8A n を8Atotalとし、第二の光路のB部での光電
変換素子の出力値の合計Σ8B n を8Btotalとし、第二
の光路のB部でのk番目(j≦k≦n+1)の光電変換
素子の出力値8Bkに次式の補正を加え8Bk’とし、補正
後のB部での出力値の合計Σ8B n` がA部での出力の合
計8Atotal(=Σ8A n )と等しくなるようにする。
【0012】8Bk’=8Bk×(8Atotal/8Btotal図4 は光電変換素子の出力値と位置の関係を示したグラ
フである。この図について説明をする。横軸には、第一
の光路のA部に位置する光電変換素子8Alから8Ai-1
対応する測定対象物3からの光路長(lAlからlAi-1
と、第二の光路B部に位置する光電変換素子8Bjから8
Bn+1に対応する光路長(lBjからlBn+1)とをとってい
る。縦軸には、横軸の第一の光路の光路長に対応する部
分では、光電変換素子の出力8Anのk番目(1≦k<i
−1)までの累積値Σ8Akをとっている。そして、横
軸の第二の光路長に対応する部分では、第一の光路A部
における光電変換素子7の出力の合計値8Atotalから、
光電変換素子8Bk’のk番目(j≦k≦n+1)までの
累積値Σ8Bk’を引いた値(8Atotal−Σ8Bk’)をと
っている。
【0013】これらの各測定点について、例えば最小自
乗法などで近似して、光路長と光量の関係を近似曲線で
表している。この近似曲線から、縦軸の光電変換素子出
力の累積値(光量)の最大値8maxとなる光路長lを求
める。この光路長が反射光の焦点距離となり、あらかじ
め設定しておいた光路長と測定対象物の高さとの関係か
ら測定対象物の高さを知ることができる。
【0014】以上のように本実施例によれば、反射光の
光路上に複数の絞り付き反射鏡と光電変換素子を配置し
て光量を測定し、各測定点間を補間して光量が最大とな
る光路長を求めるため、レンズ系をアクチュエータ等で
移動させて焦点を検出する必要がなく、高速で高さを測
定できる。また、光電変換素子を複数個用いて、光量と
光路長の関係を近似しているため、測定対象物の表面状
態のむらによる反射光の光量分布のばらつきの影響が少
なくなり測定精度が向上する。
【0015】なお、本実施例ではビームスプリッタ6の
前にレンズ系5を配置しているが、ビームスプリッタ6
の後にレンズ系5を配置しても差し支えないし、測定対
象物3とハーフミラー4の間にレンズ系5を配置しても
差し支えない。また、ハーフミラー4の代わりに穴あき
ミラーを用いても差し支えないことは言うまでもない。
【0016】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、測定対象
物からの反射光の光路長が互いに異なる位置に複数の光
電変換素子を配置し、光電変換素子の出力から反射光の
光量と光路長との関係を近似して反射光の焦点位置を調
べることで、測定対象物の高さを高速に測定することが
できる優れた非接触高さ計測装置を実現することができ
る。さらに、測定対象物の表面状態のむらによる反射光
の光量分布のばらつきのために一部の光電変換素子の出
力に誤差が生じても、影響を受けることが少なくなり、
高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例における非接触高さ計測
装置の構成図
【図2】(a)第一の光路のA部における絞り付き反射
鏡と光電変換素子の配置図 (b)第二の光路のB部における絞り付き反射鏡と光電
変換素子の配置図
【図3】同本実施例における絞り付き反射鏡の斜視図
【図4】同実施例における光電変換素子出力と光路長と
の関係図
【図5】従来の非接触高さ計測装置の構成図
【符号の説明】
1 光源 2 光学系 3 測定対象物 4 ハーフミラー 5 レンズ系 6 ビームスプリッタ 7 絞り 8 光電変換素子 9 絞り付き反射鏡 10 レンズ移動アクチュエーター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 知博 香川県高松市寿町2丁目2番10号 松下 寿電子工業株式会社内 (72)発明者 奥田 英二 香川県高松市寿町2丁目2番10号 松下 寿電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭49−134354(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01C 3/00 - 3/32

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】微小ビーム光を発生する光源と、 前記微小ビーム光を測定対象物上に集光し照射する光学
    系と、 前記測定対象物上の前記微小ビーム光の照射位置からの
    反射光を集光するレンズ系と、 前記レンズ系により集光された前記反射光を2つの光路
    に分光する分光手段と、 前記分光手段により分光された一方の反射光の収束する
    光を順次異なる方向に偏向するよう光路長の異なる位置
    に配置され、前記分光後の反射光を偏向すると同時にそ
    の光量を制限する同じ大きさのしぼりを備えた複数のし
    ぼり手段と、 前記各しぼり手段のしぼりを通過した光をそれぞれ受光
    し、その受光量に応じた電気的出力に変換する第一の光
    電変換手段と、 前記分光手段により分光された他方の反射光の拡大する
    光を順次異なる方向に偏向するよう光路長の異なる位置
    に配置され、前記分光後の反射光を偏向すると同時にそ
    の反射光の光量を制限する同じ大きさのしぼりを備えた
    複数の偏向手段と、 前記偏向手段により偏向された光をそれぞれ受光し、受
    光量に応じた電気的出力に変換する第二の光電変換手段
    とを有し、 前記第一と第二の光電変換手段の電気的出力の比較にお
    いて前記測定対象物の高さを測定することを特徴とする
    非接触高さ計測装置。
  2. 【請求項2】前記測定対象物上の前記微小ビーム光の照
    射位置からの反射光を分光手段により分光した後に、分
    光後の反射光をレンズ系により集光するようにしたこと
    を特徴とする請求項2に記載の非接触高さ計測装置。
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