JPH1089916A - 面位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光点像に不均一性があっても、その影響による
検出位置の誤差をなくすことができる位置検出装置を提
供する。 【解決手段】光源像を投影光学系を介して被検査面に投
影し、被検査面上の光点像を受光光学系を介して光電変
換素子に投影し、光学系と被検査面との距離に応じて光
電変換素子の受光面上を変位する当該光点像の位置から
該距離を検出する面位置検査装置において、光電変換素
子が２次元状に配置された複数の画素領域を有し、更
に、各画素領域からの変換電気信号を２値化した信号に
従って前記の距離を求める信号処理部を有することを特
徴とする。光点像に特に明るい部分が存在しても、正確
に光点像の位置を検出することができる。更に、各画素
領域からの電気信号または２値化信号に所定の重み付け
をすることにより、より精度の高い位置検出を行うこと
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検査面の位置検
査装置にかかり、特に顕微鏡等の光学機器のオートフォ
ーカスや被検査物の表面の高さや段差測定に用いる非接
触式の面位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被検査物の表面に対して、例えば顕微鏡
の鏡筒をそのピント位置に位置決めするオートフォーカ
ス装置や、複数の表面に対して鏡筒を移動させてそれぞ
れのピント位置に位置決めしてその駆動量から表面の段
差や形状を求める測定器等の面位置検査装置では、三角
測量方式やナイフエッジ方式を用いたものが知られてい
る。

【０００３】かかる位置検査装置では、光源像を投影光
学系を介して被検査面に投影し、その投影した光点像を
受光光学系を介して光電変換素子に投影し、光学系と被
検査面との間の距離に応じて光電変換素子の受光面上の
光点像の位置が変位することを利用している。即ち、光
点像の位置を光電変換素子からの電気信号を処理するこ
とにより検出して、対応する距離を求めるのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の原理は、光電変
換素子が受光した光量に応じたレベルの電気信号を出力
することから、被検査面上で反射した光点が理想的な光
量分布で光電変換素子上に投影されることを前提にして
いる。

【０００５】しかしながら、実際の被検査物の表面は、
傷、シミ、模様、金属機械加工面、金属とプラスチック
が混合した面、段差面など光学的に不均一な面である場
合が多い。表面に微小な凹凸や反射率の異なる材料が混
在する場合は、光電変換素子上に投影される光点像がそ
の一部に異常に光量が高い部分を有することがあり、光
点像の光量分布は不均一になる。その結果、光点像の光
量重心は本来の中心位置からずれてしまい、受光位置が
ずれて検出され、測定誤差となるという問題点を招く。

【０００６】そこで、本発明の目的は、被検査物の表面
の不均一さの影響を受けにくく高精度な表面位置検出を
行うことができる面位置検査装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、本発明に
よれば、光源像を投影光学系を介して被検査面に投影
し、該被検査面上の光点像を受光光学系を介して光電変
換素子に投影し、該投影及び、又は受光光学系と被検査
面との距離に応じて該光電変換素子の受光面上を変位す
る当該光点像の位置から該距離を検出する面位置検査装
置において、該光電変換素子が２次元状に配置された複
数の画素領域を有し、更に、各画素領域からの変換電気
信号を２値化した信号に従って前記距離を求める信号処
理部を有することを特徴とする面位置検査装置を提供す
ることにより達成される。

【０００８】更に、本発明の面位置検出装置では、前記
光電変換素子が前記変位方向に配置された第一及び第二
の領域を有し、該第一、第二の領域がそれぞれ前記２次
元状に配置された複数の画素領域を有し、 前記信号処
理部は、前記第一の領域の各画素領域からの前記２値化
信号を累積した信号と前記第二の領域の各画素領域から
の前記２値化信号を累積した信号との差信号のゼロクロ
ス点を検出することを特徴とする。

【０００９】複数の画素領域からの光電変換信号を２値
化することで、光点像ないの特に明るい部分が存在して
も、その部分の増加した光量が除去され、光電変換素子
の受光面上の光点像の位置を正確に検出することができ
る。

【００１０】更に、本発明では、複数画素領域を２次元
的に配置することで、それぞれの画素領域からの電気信
号または２値化信号に対して適宜重み付けをすることが
できる。従って、例えば光点像の変位方向であってその
中心側の重みを重くすることで、上記差信号のゼロクロ
ス点付近の信号を強調させることができ、より正確な位
置検出を行うことができる。

【００１１】更に、光点像の変位方向に直角の方向であ
って、その中心側の重みを重くすることで、焦点ぼけし
た光点像であったり変形した光点像であっても整った形
状の光点像として捉えることができ、焦点ぼけや変形に
よる光点像位置のズレをなくすことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に従って説明する。しかしながら、本発明の技術
的範囲がその実施の形態に限定されるものではない。

【００１３】図１は、三角測量方式による面位置検査装
置の例を示す図である。例えばレーザーダイオード等の
光源からの光を投影レンズ２を介して検査面Ｘ，Ｙ，Ｚ
に光点像として投影し、その光点像３を受光レンズ５を
介して例えばフォトダイオード等の光電変換素子６に投
影する。そして、被検査面の位置に応じて光電変換素子
６の受光面上の光点像７の投影位置が変位することを利
用して、光電変換素子６からの電気信号を信号処理部４
にて処理して被検査面が焦点位置になる等の相対位置を
検出する。

【００１４】即ち、図１中に示される通り、被検査面
が、例えば焦点位置にあるＹの場合と、その上下のＸ，
Ｚの位置にある場合とでは、光電変換素子６上の光点像
７の位置が異なる。

【００１５】この光電変換素子６としては、２分割セン
サやラインセンサ等が利用される。図１中に示したの
は、２分割センサの例である。また、図２は、２分割セ
ンサを利用した場合の各信号を示す図である。図２中、
破線が理想的な光量分布の光点像の場合である。

【００１６】この２分割センサの例では、２つの領域
Ａ，Ｂに狭いギャップを介してフォトダイオードを配置
する。各フォトダイオードからの電気信号Ａｓ，Ｂｓの
差信号Ｇ（＝Ａｓ−Ｂｓ）を取り、この信号Ｇが０にな
る時の被検査面の位置を図中のＹの位置として検出す
る。従って、例えば位置Ｙに投影レンズ２の焦点位置を
あわせておけば、２つのフォトダイオードＡ，Ｂの差信
号Ｇが０になる様に被検査面の位置を移動させること
で、被検査面を自動的にピントが合った位置Ｙに位置決
めすることができる。

【００１７】また、光電変換素子ＰＤとして、ＰＳＤ
（半導体位置検出素子、Position Sensitive Detector)
やＣＣＤラインセンサ等を利用すると、それらのセンサ
の受光面上の光点像の位置そのものを検出することがで
き、位置Ｙを中心とする上下の一定範囲内での高さ変位
を検出することができる。

【００１８】さて、図２に示した様に、被検査面の状態
により光点像７の一部に明るい部分７ａが形成されたと
する。その場合は、被検査面の位置に応じて各信号は実
線の如く変化する。即ち、被検査面がＹの位置にあるに
も係わらず、明るい部分７ａが素子Ａ上に位置する為、
素子Ａからの変換電気信号Ａｓは依然として高いレベル
にある。その結果、差信号Ｇは本来の位置からΔｈだけ
Ｘ側にずれたところでゼロクロス点を持つことになる。

【００１９】図３は、本発明にかかる光電変換素子の例
を示す図である。この例は、２分割センサの例に適用し
た場合の例である。光点像の変位方向に配置された領域
ＡとＢは、それぞれマトリクス状に２次元配置された複
数の画素領域Ａmn、Ｂmnを有する。そして、それぞれの
画素領域において光量に応じたレベルの電気信号が出力
される。この例では、領域Ａ側はｉ行ｊ列の、領域Ｂ側
はｋ行ｌ列の画素領域を有している。

【００２０】本発明では、２次元状に配列された画素領
域それぞれから検出される変換電気信号を、所定の閾値
によって２値化し、それぞれの画素領域に光点像がある
かないかの２値の信号を取り出す。そうすることで、部
分的に明るい部分が存在しても単に光点像有りのデータ
となるだけであり、明るい部分による検出位置のずれを
なくすことができる。

【００２１】図４は、かかる複数画素領域を持つ光電変
換素子を利用した時の信号処理回路の例を示す図であ
る。また、図５はその信号処理回路４により処理されて
生成された各信号を示す図である。両図を参照しなが
ら、本発明にかかる実施の形態例を説明する。

【００２２】先ず、最初の例として、図４中に示される
通り、複数の画素領域それぞれから検出される光量に応
じたレベルの電気信号Ａｓmn, Ｂｓmnを２値化回路１１
により２値化信号ａｓmn, ｂｓmnにする。この2 値化
は、所定の閾値Ｖｔｈとの比較により行われる。従っ
て、閾値Ｖｔｈは１つの画素領域において光点像が投影
されているか否かを検出できる程度のレベルに設定され
る。この結果生成された２値化信号ａｓmn, ｂｓmnは、
光点像の明るい部分に対応する画素領域も通常の明るさ
の部分に対応する画素領域も同じ１レベルの信号にな
る。

【００２３】そこで、ここの例は２分割センサの例であ
るので、第一の領域Ａと第二の領域Ｂそれぞれの２値化
信号の累積値を累積回路１２、１３で求める。そして、
減算・比較回路１４にて、それらの累積値の差Ｇを演算
して、その差Ｇが０になる所を比較回路にて検出する。
即ち、差Ｇは、

【００２４】

【数１】

【００２５】上記の第一、第二の領域Ａ，Ｂからの２値
化信号の累積値（積分値）は、光点像が投影されている
領域の面積を求めたことと等価である。そして、部分的
に明るい領域があっても、２値化したことによりその部
分の加重された光量は削除されるので、従来の様な検出
位置の誤差は生じない。尚、図４中２０は、後述する別
の実施の形態例で使用する重み付け回路である。

【００２６】図５の（１）、（２）は、画素領域から光
量に応じて検出される電気信号をそのまま累積したとき
の信号レベルを示す。図示される様に明るい部分により
検出位置には誤差が発生する（図５（５）の点線参
照）。それに対して、２値化信号ａｓmn, ｂｓmnの累積
値は、いずれも本来の位置Ｙのところで変化し、その差
信号Ｇ（図５（５））のゼロクロス点は位置Ｙと一致し
ている。従って、例えば位置Ｙを観察系の合焦点位置に
設定しておけば、差信号Ｇのゼロクロス点を合焦点位置
として検出することができる。

【００２７】位置Ｙに光学系と被検査面との距離を設定
する方法は、例えば２種類ある。図４に戻り、差信号Ｇ
は位置Ｙになったときに０になる信号であり、ある種の
位置変位量を示しているので、かかる信号Ｇに従って駆
動部１９で信号Ｇに比例した駆動電圧を生成し、駆動装
置８を駆動する。その結果、駆動装置８は信号Ｇが０に
なる時停止する。これが第一の方法である。第二の方法
は、駆動装置８を高さ方向に駆動させて、減算・比較回
路１４が差信号Ｇがゼロクロス点を交差した時に発生す
るトリガ信号で位置検出手段１０によるカウンタ１７の
カウント値をトリガする。そして、その後、そのトリガ
したカウント値まで駆動装置８によりステージまたは光
学系を移動する。そのトリガ信号は、図４に示される様
に、累積回路１２、１３からの累積値の和信号が所定の
閾値を越えていることを加算・比較回路１５で検出し、
減算・比較回路１４のゼロクロスを検出する信号との論
理和を取ることにより生成される。こうすることで、光
点像が光電変換素子に投影される位置の範囲において、
差信号Ｇがゼロクロス点を交差する位置を検出すること
ができる。

【００２８】上記の例は、２分割センサの例で説明した
が、ＣＣＤラインセンサやＰＳＤ素子の様に光点像の位
置そのものを検出することができる手段の場合でも、２
次元的に配置した複数画素領域を設けて、それぞれから
の変換電気信号を２値化するとで、光量の不均一性によ
る光量重心点のずれに伴う検出誤差をなくすことができ
る。したがって、本発明の複数画素領域からの変換電気
信号の２値化信号を利用するという点は、２分割センサ
の例に限定されるものではない。

【００２９】［重み付け］本発明では、光電変換素子が
複数の２次元的に配列された画素領域を有するので、画
素領域の位置に応じて所定の重み付けをすることによ
り、第一に駆動装置の駆動制御をより効率的に行うこと
ができる信号を生成することができ、第二に上記差信号
Ｇのゼロクロス点近傍の精度を上げることができる。更
に、第三に光点像の形状の多少の歪みを持っていてもそ
の歪み度を修正することができる。特に光点像の変位方
向に直角の方向の歪みを修正することができる。

【００３０】図６に示した通り、光点像の変位方向に対
して領域Ａ，Ｂの境界近傍では重みを大きくし、境界近
傍から離れるに従い重みを小さくすることで、上記の第
一と第二の効果を発揮させることができる。この重み付
けは、２値化信号ａｓmn, ｂｓmnに対して行っても良
く、また、画素領域から検出された変換電気信号Ａｓm
n, Ｂｓmnに対して行っても良い。このような重み付け
を行うことで、求められる差信号Ｇは、図５（６）の様
にゼロクロス点近傍で強調された信号となる。

【００３１】従って、この重み付けされた信号Ｇを利用
することで、ゼロクロス点検出の精度を上げることがで
きる。更に、この差信号Ｇに反比例する信号で駆動装置
を駆動することで、位置Ｙから離れたところでは駆動速
度を高くし、位置Ｙに近づいたところでの駆動速度を低
くすることができる。即ち、図５（６）に示される様
に、時刻ｔ１，ｔ３の領域では差信号Ｇに反比例の駆動
電圧で駆動し、時刻ｔ２の領域では差信号Ｇに比例した
駆動信号で駆動する。かかる駆動によりゼロクロス点検
出のスピードを上げることができる。

【００３２】更に、図６に示した通り、光点像の変位方
向に直角の方向において、複数画素領域の中心部分では
重み大きくし、中心から離れるに従い重みを小さくす
る。その結果、直角方向に光点像が歪んだ場合、その周
縁部分の重みは小さいのでその部分の歪みが修正され
る。図６中の実線で示した光点像７に対して破線で示し
た光点像として検出される。

【００３３】上記の重み付けを、図４中の累積回路１
２、１３で行った場合は、以下の数式に従って演算され
る。

【００３４】

【数２】

【００３５】この数式例では、重み付けを１次関数で行
っているが、指数関数などの１次関数以外の関数でも良
い。更に、変位方向についての重み付け、変位方向に直
角方向についての重み付けをそれぞれ単独で採用しても
良い。

【００３６】重み付けは、複数の画素領域からの変換電
気信号Ａｓmn, Ｂｓmnに対して行っても良い。その場合
は、図4 中に示した重み付け回路２０が使用される。そ
して、その重み付けした信号に対して所定の閾値レベル
Ｖｔｈで２値化階１１にて２値化が行われる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、光
電変換素子が２次元配置された複数の画素領域を有し、
それぞれの画素領域からの変換電気信号を２値化した信
号を利用しているので、光点像内の明るい領域が存在し
ても光量重心のずれのよる位置検出誤差をなくすことが
できる。特に、上記した２値化信号の累積値を求める場
合は、光点像の面積の中心を正確に求めることができ
る。

【００３８】更に、複数の画素領域を採用したことで、
それらからの電気信号に対して変位方向やその直角方向
に重み付けすることができ、より精度高い位置検出を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】三角測量方式による面位置検査装置の例を示す
図である。

【図２】２分割センサを利用した場合の各信号を示す図
である。

【図３】本発明にかかる光電変換素子の例を示す図であ
る。

【図４】複数画素領域を持つ光電変換素子を利用した時
の信号処理回路の例を示す図である。

【図５】信号処理回路４により処理されて生成された各
信号を示す図である。

【図６】複数画素領域に対する重み付けを説明する図で
ある。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 投影光学系 ３ 光点像 ４ 信号処理部 ５ 受光系 ６ 光電変換素子 ７ 光点像 ８ 駆動装置 １０ 位置検出手段 １１ 重み付け回路 ａｓ，ｂｓ ２値化信号

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源像を投影光学系を介して被検査面に投
   影し、該被検査面上の光点像を受光光学系を介して光電
   変換素子に投影し、該投影及び、又は受光光学系と被検
   査面との距離に応じて該光電変換素子の受光面上を変位
   する当該光点像の位置から該距離を検出する面位置検査
   装置において、 該光電変換素子が２次元状に配置された複数の画素領域
   を有し、 更に、各画素領域からの変換電気信号を２値化した信号
   に従って前記距離を求める信号処理部を有することを特
   徴とする面位置検査装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記光電変換素子が前記変位方向に配置された第一及び
   第二の領域を有し、該第一、第二の領域がそれぞれ前記
   ２次元状に配置された複数の画素領域を有し、 前記信号処理部は、前記第一の領域の各画素領域からの
   前記２値化信号を累積した信号と前記第二の領域の各画
   素領域からの前記２値化信号を累積した信号との差信号
   のゼロクロス点を検出することを特徴とする面位置検出
   装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、 前記信号処理部は、前記複数の画素領域のうち前記変位
   方向と直交する方向において中心側の画素領域からの該
   ２値化信号に第一の重みを付け、同直交方向において周
   辺側の画素領域からの該２値化信号に該第一の重みより
   小さい第二の重みを付け、当該重み付けされた２値化信
   号に従って前記距離を求めることを特徴とする面位置検
   査装置。
4. 【請求項４】請求項１において、 前記信号処理部は、前記複数の画素領域のうち前記変位
   方向において中心側の画素領域からの該２値化信号に第
   一の重みを付け、該変位方向において該中心側から離れ
   た画素領域からの該２値化信号に該第一の重みより小さ
   い第二の重みを付け、当該重み付けされた２値化信号に
   従って前記距離を求めることを特徴とする面位置検査装
   置。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記距離を変動させる駆動手段を更に有し、該駆動手段
   が前記重み付けされた２値化信号の累積値に反比例の速
   度で駆動されることを特徴とする面位置検査装置。
6. 【請求項６】請求項２において、 前記信号処理部は、前記第一及び第二の領域内の画素領
   域のうち前記変位方向において両第一、第二の領域の境
   界近傍の画素領域からの該２値化信号に第一の重みを付
   け、該変位方向において該境界部から離れた画素領域か
   らの該２値化信号に該第一の重みより小さい第二の重み
   を付け、当該重み付けされた２値化信号に従って前記距
   離を求めることを特徴とする面位置検査装置。
7. 【請求項７】請求項６において、 前記距離を変動させる駆動手段を更に有し、該駆動手段
   が前記重み付けされた２値化信号から生成した前記差信
   号に反比例の速度で駆動されることを特徴とする面位置
   検査装置。
8. 【請求項８】請求項１または２において、 前記信号処理部は、前記複数の画素領域のうち前記変位
   方向と直交する方向において中心側の画素領域からの該
   変換電気信号に第一の重みを付け、同直交方向において
   周辺側の画素領域からの該変換電気信号に該第一より小
   さい第二の重みを付け、当該重み付けされた変換電気信
   号を所定の閾値に従って２値化することを特徴とする面
   位置検査装置。
9. 【請求項９】請求項１において、 前記信号処理部は、前記複数の画素領域のうち前記変位
   方向において中心側の画素領域からの該変換電気信号に
   第一の重みを付け、該変位方向において該中心側から離
   れた画素領域からの該変換電気信号に該第一の重みより
   小さい第二の重みを付け、当該重み付けされた変換電気
   信号を所定の閾値に従って２値化することを特徴とする
   面位置検査装置。
10. 【請求項１０】請求項９において、 前記距離を変動させる駆動手段を更に有し、該駆動手段
    が前記２値化信号の累積値に反比例の速度で駆動される
    ことを特徴とする面位置検査装置。
11. 【請求項１１】請求項２において、 前記信号処理部は、前記第一及び第二の域内の画素領域
    のうち前記変位方向において両第一、第二の領域の境界
    近傍の画素領域からの該変換電気信号に第一の重みを付
    け、該変位方向において該境界部から離れた画素領域か
    らの該変換電気信号に該第一の重みより小さい第二の重
    みを付け、当該重み付けされた変換電気信号を所定の閾
    値に従って２値化することを特徴とする面位置検査装
    置。
12. 【請求項１２】請求項１１において、 前記距離を変動させる駆動手段を更に有し、該駆動手段
    が前記２値化信号から生成した前記差信号に反比例の速
    度で駆動されることを特徴とする面位置検査装置。