JPH01502849A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 距離測定装置 本発明は、距離測定の分野、特に高速非接触距離測定に関する。本発明は、移動 面の輪郭測定、物体までの正確な距離測定、２つの測定ヘッドを介する物体厚測 定および単°純物体の形状測定に特に適する。

はとんどの業務用プロファイラ、すなわちならい装置は、輪郭どりされる物体の 表面をスタイラスすなわち触針でなぞることによって機能する。これらの装置に は、その通過によって物体面が変質もしくは損傷するという問題が存する。以下 に説明される本発明は、非接触型装置であって、このような問題とは無縁である 。

多くの非接触型距離測定装置は、輪郭測定と距離測定との用途を問わず、フリン ジ・カウンティング、すなわち総計数に基いて動作する。この結果、高さにおけ るステップが変わる、すなわち距離が生ずると、絶対距離軌道を失ってしまう。

本装置は、広範囲に亘る絶対距離の追跡が可能である。

非接触型高さ測定装置に共通するもう１つの問題は、高さ分解能に優れる一方、 横分解能が通常良くないことである。このことは、測定面が粗い場合あるいは微 小表面物の高さをめる場合に重大となる。本発明は、良好な横分解能と良好な高 さ分解能を組合わせたものである。

表面測定の技術範囲は、ディー・ジエー・ホワイトハウス［Ｄ、Ｊ、Ｗｈｉｔｅ ｈｏｕｓｅｌ著の［サーフェス・メトクロシー１インストウルメンテーシヨン［ ５ｕｒｆ’ａｃｅ　ＭｅｔｒｏｌｏｇｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　］　 Ｊ　（ｒジャーナル會オブ・フィジカル・エンジニアリング［Ｊ、　Ｐｈｙｓ、 Ｅ、］　／サイエンティフィック・インストゥルメンテーションＪ　［Ｓｃｉ、 　Ｉｎ５ｔｕａ＋、］第２０巻／１９８７年第１１４５〜１１５５頁）に論じら れている。また、種々の非接触型測定装置が「１〜１５０ミクロン深さの表面外 形測定用光学プロフィロメータ［０ｐｔｉｅａｌ　Ｐｒｏｒｉｌｏｉｅｔｅｒ　 ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　５ｕｒｆａｃｅ　Ｃｏｎｔｏｕｒｓ　ｏｆ　ｌ　 ｔｏ　１５０旧ｅｒｏｎｓ　Ｄｅｐｔｈ　］　Ｊ　（バー　Ｏピー・クラインネ ヒト［Ｈ，Ｐ、Ｋｌｅｉｎｋｎｅｅｈｔコ、バー・マイエル［Ｈ，）ｌｅｉｅｒ 　］共著／ラボラトリーズ・アールシーニー・リミテッド［Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｉｅｓ　ＲＣＡ　Ｌｔｄ、　］　−スイス、チューリッヒ）、［電子光学表面プ ロファイラ［Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｅ　５ｕｒｆａｃｅ　Ｐｒｏｆｉｌｅｒ ｌ　Ｊ　（ジェー・ダブリュ・ビューチェル［」、警、Ｂｕｅｃｈｅｌｅ］−Ｌ ヌ・ビー・シーベ［Ｎ、Ｂ、５ｅｅｂｅ］共著／アイビーエム・テクニカル・デ ィスクロージャ・フリテン［ＩＢＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒ ｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　］第２６巻第３Ｂ　１９８３　８月号）、「二重ビーム 光学システムを用いた表面輪郭測定［５ｕｒｆａｃｅ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　Ｍｅａ ｓｕｒｅａ＋ｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｄｕａｌ−Ｂｅａａ＋　０ｐｔｉｃａｌ　 ５ｙｓｔｅｓｔ　］　Ｊ　（デビット・ワイ・ルー［Ｄａｖｉｄ　Ｙ、Ｌｏｕ　 ］外著／アプライド・オブティクス［Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ］第２３巻 第、５−１９８４．３．１号　第７４６〜７５１頁）、「光学プロフィロメータ ー実用的解析法概要［０ｐｔｉｅａｌ　Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ：　Ａ　Ｐｒ ａｃｔｉｃａｌ　Ａｐｐｒｏｘｉａａｔｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ａｎａｙｓｉ ｓ　］　Ｊ（マレク・ドボス［ＭａｒｅｋＤｏｂＯ８ｚ］著／アプライド・オブ ティクス［Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓコ第２２巻第２４−１９８３．１２． １５号第３９８３頁）に開示されている。

はとんどの接触型および非接触型高さ測定装置およびならい装置すなわちプロフ アイラにとり、装置検知点と測定面との間の相対速度は、表面輪郭の精度の高い 計測を達成するため比較的低くなければならない。本発明は、表面位置測定時に 高相対速度で作用可能である。従って、これは、スピードが重要とされる製造環 境における表面輪郭測定あるいは位置決めに理想的である。

本発明は、ある面において標準同焦点マイクロスコープの特徴をその機能上利用 しているが、重要な点で異なっている。すなわち、これは−次元においてのみ同 焦点である。標準同焦点マイクロスコープにおいて、計測表面がマイクロスコー プの軸に対して直角な面上を移動すれば、表面高のわずかな変化が検出器に従来 のマイクロスコープに比較して大きな信号変化となって現れる。解析を受ける検 出器信号にとり、この高さ変化は、小範囲内に止めおかれなければならない。す なわち、従来の同焦点マイクロスコープは、１波長範囲内で単波長高さ分解能を 提供する。同焦点マイクロスコープの動作は、「走査型顕微鏡の深度識別性の実 験的考案［Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　０ｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈ ｅ　Ｄｅｐｔｈ−Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ ’　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｅｏｐｅｓ］Ｊ　（ディー０ケー〇ハミル トン［Ｄ、に、Ｈａｗｉ　Ｉｔｏｎ］外著／第６巻第１２号光学レター’１９８ １　、　１２　［０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｏｆ　Ｄｅｃｅａ＋ｂｅｒ　 １９８１］）および［同焦点マイクロスコープを用いた表面輪郭測定［５ｕｒｆ ａｃｅ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｃｏ ｎｆｏｃａｌ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅコ」　（ディー書ケー・ハミルトンＣＤ。

Ｋ、Ｈａｍｉｌｔｏｎ］　、ティー・ウィルソン［Ｔ、シ１ｌｓｏｎコ共著／ジ ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス［Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、コ第５ ３巻第７号（１９８２年７月）第５３２０頁以降）に例示のごとく広く知られて いる。本発明において、測定範囲は、照射光線長と対応すべく拡張されている。

アール・テスカ［Ｒ，Ｔｈｅｓｋａｌが著した「オブティシュ・ベルールンスク ローゼ・アンタスト９ンク・ミツト・ヒルフエ・デス・アスティグマテイズムエ ールファーレンス［Ｏｐｔｉｓｅｈ−Ｂｅｒｕｈｒｕｎｇｓｌｏｓｅ　Ａｎｔａ ｓｔｕｎｇ　ｗｉｔ　Ｈｉｌｆｅｄｅｓ　Ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍｕｓｕｅｒｆ ａｈｒｅｎｓコ」と題する論文（ファインゲラテテクニク［Ｆｅｉｎｇｅｒａｔ ｅｃｈｎｉｋ　］第３６巻（１９８７年）第６号第２６３〜６頁）は、本願の最 先優先日以後に発表されたものであって、非接触光学検出への非点収差の応用に ついて論じている。

本発明は、非接触型距離測定装置であって、エネルギー源と、前記エネルギーを 動作時に計測面の少なくとも１点と交差する線（共通集束線という）に集束させ る手段と、前記共通集束線を空間面（イメージ平面という）に結像させる手段と 、前記イメージ面上の像の特徴を検出する手段と、基準点から該計測面までの距 離測定値を得るため、前記検出器からの信号を解析する手段とから成る装置を提 供した。

本発明の別の特徴によれば、非接触距離測定方法であって、エネルギー源を線が 計測面の少なくとも１点と交差するよう前記線に集束せしめ、前記線と前記計測 面の交差によって発生したバタンを空間面に結像させ、前記空間面上の像の特徴 を検出して基準点ら前記計測面までの距離測定値を得るため前記検出器からの信 号を解析して成る方法を提供した。

エネルギー源は、可視光線、電波、マイクロ波あるいは他の電磁波とすればよい 。また、これは電子ビーム、陽子ビームなどの粒子ビームであってもよい。さら に、エネルギー源は音波であってもよい。計測面との共通集束線の交差点の検出 手段は、光学系の場合、検出器面の像の一部又は全部を捕えるよう配設された線 、領域または位置検出器とすればよい。計測面との集束線の交差点は、検出器が 捕えた像の一部又は全部を解析することによって検出される。

照明および検出装置は、物体によって散乱したエネルギーと物体によって鏡様に 反射されたものとを区別する手段を有していてもよい。この１の方法は、ポララ イザ／アナライザである。ポラライザは、物体と照明源との間に、またアナライ ザあるいは直交ポラライザは、検出器と物体の間に位置する。

上記装置は、マイクロスコープ距離測定において高分解能を、また長距離測定に おいて良分解能を有する。これは、可視光が高非点収差同焦点マイクロスコープ と組合わされた際微小距離に特に適している。

本発明は、一定の実施例において、計測面を照射する手段とその面からの反射お よび／又は散乱放射線の検出手段とを含有する高非点収差同焦点マイクロスコー プを用いた微小距離の非接触型測定装置であって、計測面照射手段が光線を発し 、その光線をこれが計測面の少なくとも１点と交差するよう集束させるようなさ れており、該検出手段が像の一部又は全部を捕えるようなされた検知器と、計測 面から散乱および／又は反射された光の最高明度点の位置を検出して基準点から その点までの距離を演算する手段とから成ることを特徴とする装置を提供した。

本発明による装置は、試験の結果、５　！Ｉｌｌ範囲に対して１ミクロン以内の 分解能、又別の場合に１．４關範囲に対して０．１ミクロン以内の分解能で面高 測定が可能と分った。

以下の装置説明は、エネルギー源を可視光とした場合の用語を用いて行う。しか し、装置が適正な類似部品で構成される限り、これに他の形式のエネルギーを利 用することが可能である。

本発明の特徴のより深き理解のため、以下に、次の添付図面を参照して好ましい 実施例について説明する。

第１図は、本発明の原理を示す概略図、第２図は、本発明を含有する装置の概略 平面図、そして第３図は、第２図の装置の概略側面図である。

本発明を実施するため、２つの基本素子すなわち照明装置および検出装置が用い られている。

第１図を参照すれば、集束素子（３）（試料照明）に設けられた照明は、一方向 に延びる点光源（１）すなわち光線となっている。照明の波長は、装置分解能、 装置が測定可能な材料の範囲および使用される検出器タイプに関する限り、重大 要素ではない。高品質光学素子（３）は、光線を空間の線（４）に集束せしめる 。この集束線（４）は、装置の共通集束線、又は略して集束線と呼ばれる。

線光源および球対線集束素子に代わるものとして、空間線に点光源を結像するた め高非点収差光学素子が用いられるが、この場合、より複雑な光学的設計が要求 され、照明および検出装置の双方に同一集束素子を用いることが殆ど不可能とな る。

集束線（４）は、これが計測面（５）の少なくとも１点と交差するよう面（５） に対して配設される。換言すれば、集束線（４）は、面（５）と交差し、垂直平 均面に直角ではない。光学的上、交差点が１点であることが最善であるが、粗面 に対してはこれが不可能である。結像光学系（７）は、ビームスプリッタ（２） から与えられた集束線（４）が検出器（６）に結像されるよう配設されている。

検出装置は、線、領域あるいは位置検出器（８）の形態をとっている。これは、 画素アレイ又は直線位置検出器のいずれかを包含してもよい。この検出器は、電 気出力からの光の明度が最も高い点の位置検出すなわちその点をイメージ残部よ り外挿できねばならない。

装置の基本動作は次の通りである。集束線（４）と距離計測される物体の面（５ ）との間の角度がゆえ、限られた数の点が集束線（４）上に存する。これらの点 は、最大照明強度で特徴づけられる。面が完全に一様であれば、これらの点は面 （５）の他の点よりも明るくなる。

光の集束線が検出器（６）に結ばれた像と一致しているので、集束線（４）上の 面の点も線検出器（６）に最も良く結像される。

この結果、検出器（θ）に結ばれた像の最高明度心は、集束線（４）と一致する 固点と対応する。検出器（６）からの検出信号の解析により面高が検出される。

これは、イメージの線というよりはむしろ、゛イメージ全体の内挿によって遂行 される。

装置の感度は、使用照明の波長、光学系の品質、集束素子（３）の開口数および 集束線（４）と面（５）とで形成する角度によって異なる。最大高さおよび横分 解能については、波長が短く、開口数が多く、回折が制限された光学系を使用す る必要がある。

第１図に示されるように、同じ集束素子（３）が照明および検出装置の双方に用 いられている。この配置が多分最善であるが、全く別個の光学系を用いることが 可能である。また、この実施例は、集束素子（３）に照明線を与えるべく通訳さ れたものである。前述のごとく、他の実施例は、線（４）を発生させるべく高非 点収差光学系とともに点光源を用いることができる。後者の場合、照明、検出光 学系に別個の光学系を用いることが義務とは言わないまでも必要である。

第２図および第３図は、本発明の１の実施例をより詳細に示している。本発明の この特定形式おいては、発光ダイオード、レーザダイオードあるいは超放射ダイ オード（１）が光の供給源として用いられている。これらのダイオードのいずれ かを単独で、あるいはビーム形成光学系（例えばアナモルフィック・プリズム・ ベア）又は単一モードファイバーピグテールと組み合せてもよい。

一体フアイバーピグテールを有する前記ダイオード（２）は、取扱いが容易な、 本装置に適する点光源であり、ピンホールは不要である。光源から発せられた光 の錐体は、円柱レンズ系（４）を通過する前にレンズ（３）によって平行光とさ れる。円柱レンズ（４）は、コリメータ（３）の前、ビームスプリッタ（６）の 後あるいはマイクロスコープ対物レンズの後に配置しても全くかまわない。次位 の装置素子は、偏光すなわち半銀めっきされたビームスプリッタ（６）である。

ビームスプリッタ（６）は、照明光学系を検出光学系から分離するのみならず、 物体によって散乱した光のみを分離する働きをなし、そのために光の偏光状態が 変化した。一定の場合散乱光に代えて反射光を考慮する利益があるが、この場合 、偏光ビームスプリッタ（６）とマイクロスコープ対物レンズ（５）との間に四 分の一波長プレート（１２）を設けてもよい。試料面（８）前の最終光学素子は 、マイクロスコープ対物レンズ（５）であり、これは光を空中線に集束させる。

この線を形成する役目を果すのは円柱レンズ素子である。円柱レンズ（４）が欠 如しているときは、マイクロスコープ対物レンズが光を点に集束させる。装置の 分解能が主にマイクロスコープ対物レンズによって決まるので、高品位対物レン ズを選ぶことが好ましい。短作動距離対物レンズは、集束線と標本面との間に浅 い角度を得ることを困難ならしめる大きな金属マウントに通常包囲されているの で、長作動距離対物レンズを用いればさらに便利である。開口数が０．５で、作 動距離が１０關の対物レンズが現時点では高分解能の実現に好ましいとされてい る。対物レンズの開口数が高くなればなる程装置の感度も高くなる。開口数は、 実際上は０．０５からＯｏ　６５の範囲を出ることは稀であるが、理論上は０と １の間で変化する。

標本面から戻る光は、マイクロスコープ対物レンズ（５）によって集められ、面 散乱した光は偏光ビームスプリッタ（６）によって発光装置から遠のく方向に向 けられる。反射光が関係する場合は、四分の一波長プレートが反射光も分離せし める。結像光学素子（７）は、装置の集束線が多素子画素アレイ（９）に結像さ れるように配設されている。最大高さ範囲に対しては、線の全長が検出器に結像 されねばならない。最大高さ分解能に対しては、線のほんの一部が画素アレイ（ ９）の全長に結像されねばならない。

標本面（８）は、画素アレイに結像された部分線がその面と交差するよう配置さ れている。偏光器（ｌＯ）を用いれば点光源の強度変更に有益であり、従って画 質調節を容易にすると分った。また、偏光器（１１）を用いたら、検出器（９） に突当る違反射光の除去に有効であった。

もう１つの注目すべき点は、説明した装置に従来の光学系が用いられていること である。しかし、反射光学系および／又はホログラフ光学素子を用いることも可 能である。前述のごとく、類似構成要素を用いれば、電磁波、音波、粒子ビーム などの他のエネルギービームを利用する、本発明の原理を包含する装置を構築す ることができる。自明のごとく、光学素子は検出器すなわち検出器アレイのよう に全く別異の構成と成り得るが、装置の結合形態は本質的に同じとなる。

検出器データの解析は変わる。位置検出器の場合、出力、電圧は、測定ヘッドと 物体との間の距離に直接関係する。

直線ダイオードアレイ検出器の解析は、比較的簡単である。直線アレイ上の信号 は単一モードの強度分布の形態をとる。実物体は、最適曲線の発生を伴う強度分 布に雑音となって現出する。曲線の頂点を拾うことにより、測定ヘッドと物体と の間の距離は簡単に決定される。実験の結果、高強度信号に極端に大きな重みを 付けることにより、測定ヘッドと物体との間の距離のより良き判定が可能と分っ た。

領域ダイオード検出器アレイからの信号について行う３種類の解析が存する。す なわちち、強度統計学解析、イメージの形状解析および両者の組合わせである。

今までに合格した統計学解析は、水平イメージ線、垂直イメージ線および領域の 平均のモーメントを含む。これまでに最も成功した統計学解析は、２又はそれ以 上に累乗された縦列の不標準化尖度である。結果として生ずる水平アレイに適合 する曲線の平均が測定ヘッドと物体との間の距離測定値を与える。０．１ミクロ ンもの高い分解能が得られた。

可能な形状解析は、ある強度範囲のイメージの一組の外形をめ、対称中心を拾っ てその組の平均をとることによる。外形に適合する可能曲線は、直線、双曲線、 三角線を含む。

検出器平面のイメージの形状および強度分布の両方を用いることにより、イメー ジの全ての情報が使用される。

ある方法は、真平らな散乱面から理論上得られた第２イメージを利用する。両者 間の相関を計算しながら実像を横切って理論イメージを移動することによって曲 線が得られる。曲線の極大値が基準点と計測面との間の距離に相当する。

国際調査報告 使黒■四追担ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ距懇堕匹匹五部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕エネルギー源と、前記エネルギーを作用時に検査面の少なくとも１点と交 差する線（共通集束線という）に集束させる手段と、前記共通集束線を空間面（ イメージ平面という）に結像させる手段と、前記イメージ面上の前記イメージの 特徴を検出する手段と、基準点と前記検査面との間の距離の値を得るため前記検 出器からの信号を解析する手段とから成る非接触距離測定装置。 〔２〕前記エネルギー源が電磁放射である請求項１に記載の装置。 〔３〕前記エネルギー源が可視光である請求項２に記載の装置。 〔４〕前記エネルギーを線に集束させる前記手段が非点収差同焦点マイクロスコ ープである請求項３に記載の装置。 〔５〕前記エネルギー源が光線として設けられている請求項３に記載の装置。 〔６〕前記共通集束線を前記イメージ面に結像する前記手段がビームスプリッタ と結像光学系とから成る請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。 〔７〕前記検出手段が直線位置検出器で成る請求項１から６までのいずれか１項 に記載の装置。 〔８〕前記検出手段が画素アレイで成る請求項１から６までのいずれか１項に記 載の装置。 〔９〕前記画素アレイが領域アレイである請求項８に記載の装置。 〔１０〕前記エネルギー源が発光ダイオード、レーザダイオード又は超発光ダイ オードで成っている請求項４に記載の装置。 〔１１〕前記エネルギー源が単一モードファイバーピグテールで成っている請求 項１０に記載の装置。 〔１２〕前記エネルギー源がビーム形成光学系で成っている請求項１０に記載の 装置。 〔１３〕前記ビーム形成光学系がアナモルフィックプリズムベアで成っている請 求項１２に記載の装置。 〔１４〕エネルギー源を線にこれが検査面の少なくとも１点で交差するよう集束 させ、前記線と前記面の交差により発現したパタンを空間平面に結像させ、前記 平面上の像の特徴を検出し、基準点から前記面までの距離の値を得るべく前記検 出器からの信号を解析して成る非接触距離測定方法。 〔１５〕前記エネルギー源が電磁放射線とされた請求項１４に記載の方法。 〔１６〕前記電磁エネルギーが可視光とされた請求項１５に記載の方法。