(57)【要約】【課題】焦点検出部として従来とは異なる範囲に対する十分な分解能を有し、表面までの範囲（距離）の全体を検出することができ、設計上あるいは範囲要件の制限を解消できる焦点センサを提供すること。【解決手段】焦点センサ１００は、照明光源１０からの照明光束１３を、コリメータレンズ１５、第１光束分割面２０、第２光束分割面２５、対物レンズ３０を経てワーク表面４０で反射させる。反射光束１３’は逆の経路を進み、第１光束分割面２０を透過して二重範囲焦点検出装置１１０に入射される。二重範囲焦点検出装置１１０は、高分解能焦点検出装置として高分解能サブ開口レンズ１２０Ａ，１２０Ｂおよび高分解能光検出器１３３Ａ，１３３Ｂを備え、広範囲焦点検出装置として広範囲サブ開口１２５および広範囲光検出器１３５を備える。二重範囲焦点検出装置１１０の入射部分にはリレーレンズ装置を設けてもよい。二重範囲焦点検出装置の代わりに単一拡張範囲のシャックハルトマン焦点検出装置を用いてもよい。【選択図】図１
2010156670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズの光軸とほぼ平行な方向に沿った焦点検出範囲内のワーク表面の位置に応じて変化する焦点検出信号を出力する焦点センサであって、
前記焦点センサは、照明光源と、前記照明光源からの照射光を受光し、固定平行度の照明光束を出射するコリメータレンズと、前記照明光束を受光し、前記光軸に沿ってノミナル焦点面に照明光束を合焦し、前記光軸に沿って配されるワーク表面から反射される反射光束を受光かつ透過する対物レンズと、前記光軸に沿って設けられ前記対物レンズを透過する前記反射光束を受光する焦点検出装置と、前記対物レンズと前記コリメータレンズの間の前記照明光束に沿い、かつ、前記対物レンズと前記焦点検出装置の間の前記反射光束に沿って設けられる第１光束分割面と、を備え、
前記焦点検出装置は、広範囲焦点検出装置と高分解能焦点検出装置とを有する二重焦点検出装置であり、
前記広範囲焦点検出装置は、第１焦点検出原理にしたがって構成され、前記焦点センサの第１焦点検出範囲において単調に変化する少なくとも１つの広範囲焦点検出信号を供給するように構成され、前記光軸に隣接して設けられる広範囲サブ開口と、前記広範囲サブ開口からの透過光を受け、前記少なくとも１つの広範囲焦点検出信号を供給するように構成された広範囲光検出器と、を有するものであり、
前記高分解能焦点検出装置は、前記第１焦点検出原理とは異なる第２焦点検出原理にしたがって構成され、前記第１焦点検出範囲より小さく、かつ前記第１焦点検出範囲内に位置する第２焦点検出範囲において少なくとも１つの高分解能焦点検出信号を供給するように構成され、前記広範囲サブ開口に隣接し前記光軸から外れた位置に設けられる少なくとも１つの高分解能サブ開口と、前記高分解能サブ開口からの透過光を受け高分解能焦点検出信号を供給するように構成された高分解能光検出器と、を有するものである、ことを特徴とする焦点センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点センサにおいて、
前記光軸は、前記広範囲サブ開口を通過することを特徴とする焦点センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の焦点センサにおいて、
前記広範囲サブ開口は、前記第１焦点検出範囲に対応するすべての反射光束について、光軸方向に前記広範囲光検出器の検出面を越える焦点位置に前記広範囲光検出器に伝達される光を合焦させる焦点変更レンズを備えることを特徴とする焦点センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記高分解能焦点検出装置は、シャックハルトマン焦点検出原理にしたがって構成され、前記広範囲サブ開口と隣接し、かつ光軸から外れた位置に設けられる少なくとも第１および第２高分解能サブ開口と、前記高分解能サブ開口からの透過光を受けるように構成される少なくとも第１および第２高分解能光検出器とを備え、
前記第１および第２の高分解能光検出器は、前記第２焦点検出範囲において少なくとも第１および第２高分解能焦点検出信号を出力することを特徴とする焦点センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の焦点センサにおいて、
前記第１および第２高分解能焦点検出信号は、前記ノミナル焦点面に対する前記ワーク表面の位置に応じて変化し、
前記第１および第２高分解能焦点検出信号間の高分解能差信号は、前記ワーク表面の位置を示すことを特徴とする焦点センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の焦点センサにおいて、
前記第１および第２高分解能サブ開口は、前記広範囲サブ開口をはさんで互いに略対向するように設けられることを特徴とする焦点センサ。
【請求項７】
請求項４から請求項６の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記少なくとも第１および第２高分解能光検出器および前記広範囲光検出器は、単一の光検出器アレイの一部分を構成することを特徴とする焦点センサ。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れかに記載の焦点センサにおいて、
さらに、前記対物レンズと前記二重焦点検出装置の間に前記光軸に沿って設けられるリレーレンズ装置を備え、
前記リレーレンズ装置は、前記対物レンズを透過する反射光束を受光し、前記光軸に沿って前記二重焦点検出装置の前記サブ開口に隣接する二重範囲焦点検出部入射瞳の位置に設けられる画像面に前記光軸に沿って前記対物レンズに隣接する対物レンズ瞳を結像するように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、前記反射光束を受光し、前記二重範囲焦点検出部入射瞳に前記反射光束を出射するように構成された第２リレーレンズにより受光かつ透過されるように前記反射光束を出射することを特徴とする焦点センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、前記第１光束分割面と前記焦点検出装置の間に設けられることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１１】
請求項９に記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、前記第１光束分割面と前記対物レンズの間に設けられ、前記第１光束分割面からの前記照明光束を受光し、前記対物レンズに前記照明光束を照射するように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記広範囲焦点検出装置は、シャックハルトマン検出原理ではない第１焦点検出原理にしたがって、前記光軸が前記広範囲サブ開口を通過するように構成され、
前記高分解能焦点検出装置は、シャックハルトマン焦点検出原理にしたがって構成され、前記第１焦点検出範囲より小さく、かつ前記第１焦点検出範囲内に位置する第２焦点検出範囲において前記少なくとも第１および第２高分解能焦点検出信号を供給するように構成され、前記広範囲サブ開口に隣接し前記光軸から外れた位置に設けられる少なくとも第１および第２高分解能サブ開口と、少なくとも第１および第２高分解能サブ開口からの透過光を受け、少なくとも第１および第２高分解能焦点検出信号を出力するように構成された第１および第２高分解能光検出器と、を備えることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の焦点センサにおいて、
さらに、前記対物レンズと前記二重焦点検出装置の間に前記光軸に沿って設けられるリレーレンズ装置を備え、
前記リレーレンズ装置は、前記対物レンズを透過する反射光束を受光し、前記光軸に沿って前記二重焦点検出装置の前記サブ開口に隣接する二重範囲焦点検出部入射瞳の位置に設けられる画像面に、前記光軸に沿って前記対物レンズに隣接する対物レンズ瞳を結像するように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、前記第１光束分割面と前記焦点検出装置の間に設けられることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１５】
請求項１３に記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、前記第１光束分割面と前記対物レンズの間に設けられ、前記第１光束分割面からの前記照明光束を受光し、前記対物レンズに前記照明光束を照射するように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記焦点センサは、精密機械視覚検査システムと一体化され、前記対物レンズが前記精密機械視覚検査システムの対物レンズを有することを特徴とする焦点センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の焦点センサにおいて、
前記焦点センサは、さらに、前記第１光束分割面と前記対物レンズの間の光軸に沿って設けられ、かつ、前記対物レンズと前記精密機械視覚検査システムのカメラの間の画像光路に沿って設けられる第２光束分割面を備えることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１８】
対物レンズの光軸とほぼ平行な方向に沿った焦点検出範囲内のワーク表面の位置に応じて変化する焦点検出信号を出力する焦点センサであって、
前記焦点センサは、照明光源と、前記照明光源からの照射光を受光し、固定平行度の照明光束を出射するコリメータレンズと、前記照明光束を受光し、光軸に沿ってノミナル焦点面で照明光束を合焦し、前記光軸に沿ってワーク表面から反射される反射光束を受光かつ透過する対物レンズと、前記光軸に沿って設けられ前記対物レンズを透過する反射光束を受光する焦点検出装置と、前記対物レンズと前記コリメータレンズの間の前記照明光束に沿い、かつ、前記対物レンズと前記焦点検出装置の間の前記反射光束に沿うように設けられる第１光束分割面と、前記対物レンズと前記焦点検出装置の間に前記光軸に沿って設けられ、前記対物レンズを透過する前記反射光束を受光し、前記反射光束を出射して前記焦点検出装置に受光させるように構成されたリレーレンズ装置と、を備え、
前記リレーレンズ装置は、前記焦点検出装置の焦点検出部入射瞳付近に設けられる画像面において、前記リレーレンズ装置と前記対物レンズの間の前記光軸に沿って設けられる第１面を撮像し、
前記焦点検出装置は、シャックハルトマン焦点検出原理にしたがって構成され、
前記焦点検出装置は、この焦点検出装置へ入射される前記反射光束の光線が、前記第１面に結像されるのに先立って互いに交差しないように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の焦点センサにおいて、
前記第１光束分割面は、前記リレーレンズ装置と前記焦点検出装置の間に前記光軸に沿って設けられ、前記コリメータレンズから出射される前記照明光束を偏向させ、前記リレーレンズ装置を通過させるように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項２０】
請求項１９に記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、拡大率にしたがって前記照明光束を拡大することを特徴とする焦点センサ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の焦点センサにおいて、
前記拡大率は、１．５から３．０の範囲内であることを特徴とする焦点センサ。
【請求項２２】
請求項１８から請求項２１の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置の前主平面と対物レンズ瞳との距離がｄＥＲ１であり、前記リレーレンズ装置の後主平面と焦点検出部入射瞳との距離がｄＲ２Ｅ’であり、前記リレーレンズ装置の前部焦点距離がｆＲ１であり、前記リレーレンズ装置の後部焦点距離がｆＲ２であり、前記対物レンズの焦点距離がｆＯＢＪであり、
前記焦点センサは、３．０より小さいＫについて、（ｄＥＲ１−ｆＲ１）＜（Ｋ＊ｆＯＢＪ）の関係を満たすように構成されていることを特徴とする焦点センサ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の焦点センサにおいて、
前記Ｋは２．０より小さいことを特徴とする焦点センサ。
【請求項２４】
請求項２３に記載の焦点センサにおいて、
前記Ｋは１．０より小さいことを特徴とする焦点センサ。
【請求項２５】
請求項２２から請求項２４の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記焦点センサは、画像面が焦点検出部の入射瞳から＋／−０．５＊ｄＲ２Ｅ’の範囲内に配置されるように構成されることを特徴とする焦点センサ。
【請求項２６】
請求項２５に記載の焦点センサにおいて、
前記第１面は、前記対物レンズ瞳の位置と略一致し、前記画像面は、前記焦点検出部の入射瞳の位置と略一致することを特徴とする焦点センサ。
【請求項２７】
請求項２６に記載の焦点センサにおいて、
前記ｆＲ１は、名目上ｄＥＲ１と等しいことを特徴とする焦点センサ。
【請求項２８】
請求項１８から請求項２７の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記焦点検出装置は、広範囲焦点検出装置と高分解能焦点検出装置とを有する二重焦点検出装置であり、
前記広範囲焦点検出装置は、シャックハルトマン焦点検出原理とは異なる第１焦点検出原理にしたがって構成され、前記焦点センサの第１焦点検出範囲において単調に変化する少なくとも１つの広範囲焦点検出信号を供給するように構成され、前記光軸に隣接する広範囲サブ開口と、前記広範囲サブ開口からの透過光を受け少なくとも１つの広範囲焦点検出信号を出力するように構成された広範囲光検出器と、を有するものであり、
前記高分解能焦点検出装置は、前記シャックハルトマン焦点検出原理にしたがって構成され、前記第１焦点検出範囲より小さく、かつ前記第１焦点検出範囲内に位置する第２焦点検出範囲において少なくとも１つの高分解能焦点検出信号を供給するように構成され、前記広範囲サブ開口に隣接しかつ前記光軸から外れた位置に設けられる少なくとも１つの高分解能サブ開口と、前記高分解能サブ開口からの透過光を受け高分解能検出信号を出力するように構成される高分解能光検出器と、を有するものである、ことを特徴とする焦点センサ。
【請求項２９】
請求項１８に記載の焦点センサにおいて、
前記焦点検出装置は、単一範囲のシャックハルトマン焦点検出装置であることを特徴とする焦点センサ。
【請求項３０】
請求項２９に記載の焦点センサにおいて、
前記単一範囲のシャックハルトマン焦点検出装置は、
前記焦点検出装置によって照射される前記反射光束を受け、前記反射光束を第１および第２分割部に分割するように構成される光束分割部と、第１偏向レンズと、偏向促進レンズと、光検出器とをそれぞれが有する第１および第２コンポーネントと、を備え、
前記第１偏向レンズは、前記分割部の一方を受光し、波面曲率に応じて前記分割部を偏向させ、さらに、光軸に沿って、前記光検出器に略合焦する前記偏向促進レンズを通過する偏向分割部に焦点を合わせることを特徴とする焦点センサ。
【請求項３１】
請求項３０に記載の焦点センサにおいて、
前記偏向促進レンズは、前記光検出器からの距離と比較して、前記第１偏向レンズからの距離が少なくとも２倍であることを特徴とする焦点センサ。
【請求項３２】
請求項３０または請求項３１に記載の焦点センサにおいて、
前記光束分割部は、反対方向に沿って前記第１および第２分割部を反射する９０度光束分割プリズムであることを特徴とする焦点センサ。
【請求項３３】
請求項１８から請求項３２の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記リレーレンズ装置は、前記反射光束を受光し、前記焦点検出装置へ前記反射光束を出射する第２リレーレンズへ前記反射光束を透過する第一リレーレンズを有することを特徴とする焦点センサ。
【請求項３４】
請求項１８から請求項３３の何れかに記載の焦点センサにおいて、
前記焦点センサは、精密機械視覚検査システムと一体化され、前記対物レンズは前記精密機械視覚検査システムの対物レンズを伝えることを特徴とする焦点センサ。
【請求項３５】
請求項３４に記載の焦点センサにおいて、
前記焦点センサは、さらに、前記第１リレーレンズ装置と前記対物レンズの間の前記光軸に沿って設けられ、かつ、前記対物レンズと前記精密機械視覚検査システムのカメラの間の画像光路に沿って設けられる第２光束分割面を備えることを特徴とする焦点センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械視覚検査システムの一部として用いることができ、広範囲にわたる非接触式の表面高さおよび焦点センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
検査対象物の寸法を正確に測定し、対象物のその他の様々な特性を検査するために、精密機械視覚検査システム（画像測定機または画像測定シテスムともいう、以下単に「視覚システム」と呼ぶことがある）が用いられている。
このようなシステムはコンピュータ、カメラ、顕微鏡式光学系、このカメラが検査対象であるワークの特徴をスキャンできるように複数方向へ移動可能な精密ステージを備える。市販されている視覚システムとして、例えば米国イリノイ州オーロラのミツトヨアメリカ社(MAC)製のパソコンベースの視覚システムであるQUICK VISION（登録商標）シリーズやQVPAK（登録商標）ソフトウェアなどがある。視覚システムであるQUICK VISION（登録商標）シリーズとQVPAK（登録商標）ソフトウェアの特徴と操作は、例えば非特許文献１に概説される。
【０００３】
このようなシステムには、オートフォーカスおよび表面高さ測定あるいはその何れかを調節するため、様々な種類のフォーカス測定あるいは焦点検出が行われる。
公知のフォーカス測定技術の一種として、取得画像のコントラスト分析に基づくものがある。このような技術では、与えられた視野中、最も高いコントラストの画像が一般的に最適焦点画像に相当する。任意の画像に対応するカメラと対象物との距離は、精密機械視覚検査システムにおいて一般に公知であるので、表面高さ測定結果は最適焦点画像位置から推測できる。
【０００４】
別のタイプの焦点合わせ及び／又は測定では、最適焦点位置または表面高さを決定するための機械視覚検査システムの画像に依らない焦点センサとして、予備焦点センサを利用することがなされている。例えば、三角センサ、ナイフエッジ焦点センサ、色共焦点センサなどを含む様々な公知のタイプの予備焦点センサが用いられている。
しかし、このような予備焦点センサでは、範囲に対する分解能が不十分であったり、表面高さの急激な段差を検出する場合にロバスト性が不十分であったりするという問題が指摘されていた。これに対し、以下に示す各種の改善が図られている。
【０００５】
特許文献１は、対物レンズからワーク表面までの距離の変化を測定するセンサに関する。特許文献１は、対物レンズが測定対象物に焦点を合わせ、焦点検出部（検出器の焦点面において光電変換器の前に位置するモード開口絞りなど）が最適焦点面からの測定対象物の偏差を示す構成を開示する。
【０００６】
特許文献２は、表面形状を高分解能で測定するため、シャックハルトマン方式の波面検出技術を用いる。特許文献２の構成では、完全な平面からシリコンウエハの表面などの表面の僅かな偏差を、表面から適切な照明を反射し、複数のサブ開口を含むシャックハルトマン型波面センサに向けることにより測定することができる。
【０００７】
特許文献３は、異なる焦点距離と異なる範囲や感度を有する２つのシャックハルトマン型センサを備える粗／精細勾配センサと呼ばれるシャックハルトマン方式の波面検出技術を用いる適合型光学波面制御システムを開示する。特許文献３に開示される構成は、従来とは異なる範囲に対する分解能に対応できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５５−１２４００４号公報
【特許文献２】特開２００３−５０３７２６号公報
【特許文献３】米国特許第４，９５０，８７８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「QVPAK 3D CNC視覚測定装置ユーザーガイド」ミツトヨアメリカ社２００３年１月発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述した先行技術には、それぞれ以下のような問題点がある。
特許文献１は、焦点検出部として従来とは異なる範囲に対する十分な分解能を有するものではない。
特許文献２は、複数の小孔により相対的な表面形状を検出することができるが、表面までの範囲（距離）の全体を検出するものではない。
特許文献３の構成は、適合型光学制御には適しているものの、精密機械視覚検査システムとしての設計上の制限あるいは範囲要件の制限を受ける。
このようなことから、上記した課題ないしその他の課題を克服できる焦点センサが望まれている。
【００１１】
本発明の目的は、焦点検出部として従来とは異なる範囲に対する十分な分解能を有し、表面までの範囲（距離）の全体を検出することができ、設計上あるいは範囲要件の制限を解消できる焦点センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、精密寸法測定用の汎用微視的機械視覚検査システムにおいて特に有用な構造をもち、広い範囲に対する分解能を有する焦点および範囲の検出装置および検出方法に関する。この焦点および範囲の検出装置は、以下単に焦点センサとも記載される。焦点センサは、対物レンズの光軸とほぼ平行な方向の検出範囲内のワーク表面の位置によって変化する焦点検出および範囲あるいはその何れかの信号を供給する。
【００１３】
本発明において、焦点センサは、新規に二重範囲焦点検出装置を備える。焦点センサは、さらに、照明光源と、コリメータレンズと、対物レンズと、光束分割面とを備える。操作する際、コリメータレンズは、照明光源からの照射光を受光し、固定平行度又はその平行度付近の照明光束を出射する。対物レンズは、照明光束を受光し、焦点センサの光軸に沿ってノミナル焦点面で照明光束を合焦し、光軸に沿って設けられるワーク表面から反射される反射光束を受光かつ透過する。光束分割面は、対物レンズとコリメータレンズの間の照明光束に沿い、かつ、対物レンズと二重焦点検出装置の間の反射光束に沿うように設けられる。さらに、二重範囲焦点検出装置は、対物レンズと光束分割面を透過する反射光束を受光するように光軸に沿って設けられる。
ここで、「光軸」とは、以下に詳細に述べる通り、焦点センサとその二重範囲焦点検出装置の光路の中心線を指す。特に記載のない限り、狭義で（例えば、単にレンズ要素等の軸という意味で）用いられてはいない。光路の中心線は、一般的に、対物レンズの光軸と二重範囲焦点検出装置の中心軸と一致する。光路は、光軸と同様、曲げられたり、偏向されたりする。
【００１４】
本発明の焦点センサは、二重範囲焦点検出装置は、第１焦点検出原理にしたがって構成される広範囲焦点検出装置と、第１焦点検出原理とは異なる第２焦点検出原理にしたがって構成される高分解能焦点検出装置を備える。
広範囲焦点検出装置は、光軸に隣接する広範囲焦点検出サブ開口とこのサブ開口からの光を受ける光検出器を有する。各種の実施形態において、光軸は広範囲サブ開口を通過する。広範囲焦点検出装置は、焦点センサの第１焦点検出範囲において単調に変化する広範囲焦点および範囲あるいはその何れかの信号を供給するように構成される。
高分解能焦点検出装置は、広範囲サブ開口に隣接し、かつ光軸から外れた位置に設けられる少なくとも１つのサブ開口レンズと、そのレンズからの光を受ける光検出器を有するシャックハルトマン焦点検出装置を含む。高分解能焦点検出装置は、第１焦点検出範囲よりも小さく、かつこの範囲内に設けられる第２焦点検出範囲において高分解能焦点および範囲あるいはその何れかの信号を供給する。
【００１５】
すなわち、本発明の焦点センサは、対物レンズの光軸とほぼ平行な方向に沿った焦点検出範囲内のワーク表面の位置に応じて変化する焦点検出信号を出力する焦点センサであって、
前記焦点センサは、照明光源と、前記照明光源からの照射光を受光し、固定平行度の照明光束を出射するコリメータレンズと、前記照明光束を受光し、前記光軸に沿ってノミナル焦点面に照明光束を合焦し、前記光軸に沿って配されるワーク表面から反射される反射光束を受光かつ透過する対物レンズと、前記光軸に沿って設けられ前記対物レンズを透過する前記反射光束を受光する焦点検出装置と、前記対物レンズと前記コリメータレンズの間の前記照明光束に沿い、かつ、前記対物レンズと前記焦点検出装置の間の前記反射光束に沿って設けられる第１光束分割面と、を備え、
前記焦点検出装置は、広範囲焦点検出装置と高分解能焦点検出装置とを有する二重焦点検出装置であり、
前記広範囲焦点検出装置は、第１焦点検出原理にしたがって構成され、前記焦点センサの第１焦点検出範囲において単調に変化する少なくとも１つの広範囲焦点検出信号を供給するように構成され、前記光軸に隣接して設けられる広範囲サブ開口と、前記広範囲サブ開口からの透過光を受け、前記少なくとも１つの広範囲焦点検出信号を供給するように構成された広範囲光検出器と、を有するものであり、
前記高分解能焦点検出装置は、前記第１焦点検出原理とは異なる第２焦点検出原理にしたがって構成され、前記第１焦点検出範囲より小さく、かつ前記第１焦点検出範囲内に位置する第２焦点検出範囲において少なくとも１つの高分解能焦点検出信号を供給するように構成され、前記広範囲サブ開口に隣接し前記光軸から外れた位置に設けられる少なくとも１つの高分解能サブ開口と、前記高分解能サブ開口からの透過光を受け高分解能焦点検出信号を供給するように構成された高分解能光検出器と、を有するものである、ことを特徴とする。
【００１６】
本発明において、高分解能検出装置は少なくとも第１および第２サブ開口レンズと対応する光検出器とを有する。これらは、全て信号を出力する少なくとも２つの波面検出器を有し、少なくとも２つの信号の関係が高分解能焦点検出装置における反射光束の波面曲率を示す。
本発明によれば、広範囲焦点検出装置は、広範囲サブ開口の透過光を受光し、その光を光検出器へ出射する焦点変更レンズを備える。焦点変更レンズは、第１焦点検出範囲に対応するすべての反射光束について、光検出器の検出面を越える焦点位置で合焦する。あるいは、焦点変更レンズは、第１焦点検出範囲に対応するすべての反射光束を、光検出器の検出面と焦点変更レンズの間の焦点位置で合焦させるよう構成されてもよい。焦点変更レンズは、広範囲サブ開口と一致するか、サブ開口から構成されてもよい。
【００１７】
本発明の二重範囲焦点検出構造は、その特徴の組み合わせにより新しい効果を導く。例えば、シャックハルトマン装置は、高分解能部分に採用可能だが、光軸に隣接する波面領域については、シャックハルトマン装置とは異なる広範囲焦点検出装置が効果的に用いられる。なぜなら、光軸に沿ったシャックハルトマンのサブ開口が波面曲率の感度が低く、かつ広範囲焦点検出装置が、光軸に沿う入射サブ開口を有することで、より単純な構造や信頼性の高い操作を実現するからである。反対に、光軸から離れて設けられるシャックハルトマンのサブ開口は、高分解能焦点検出装置に求められるように、波面曲率の感度が高い。さらに、これらの特徴を組み合わせることで、広範囲焦点検出装置と高分解能焦点検出装置のサブ開口は、光束分割面などを要することなく同一の波面をサンプリング可能である。加えて、本発明のある実施形態では、１つの検出アレイにより、サブ開口に付随するすべての測定信号を供給可能である。
【００１８】
本発明の焦点センサは、対物レンズの光軸とほぼ平行な方向に沿った焦点検出範囲内のワーク表面の位置に応じて変化する焦点検出信号を出力する焦点センサであって、
前記焦点センサは、照明光源と、前記照明光源からの照射光を受光し、固定平行度の照明光束を出射するコリメータレンズと、前記照明光束を受光し、光軸に沿ってノミナル焦点面で照明光束を合焦し、前記光軸に沿ってワーク表面から反射される反射光束を受光かつ透過する対物レンズと、前記光軸に沿って設けられ前記対物レンズを透過する反射光束を受光する焦点検出装置と、前記対物レンズと前記コリメータレンズの間の前記照明光束に沿い、かつ、前記対物レンズと前記焦点検出装置の間の前記反射光束に沿うように設けられる第１光束分割面と、前記対物レンズと前記焦点検出装置の間に前記光軸に沿って設けられ、前記対物レンズを透過する前記反射光束を受光し、前記反射光束を出射して前記焦点検出装置に受光させるように構成されたリレーレンズ装置と、を備え、
前記リレーレンズ装置は、前記焦点検出装置の焦点検出部の入射瞳付近に設けられる画像面において、前記リレーレンズ装置と前記対物レンズの間の前記光軸に沿って設けられる第１面を撮像し、
前記焦点検出装置は、シャックハルトマン焦点検出原理にしたがって構成され、
前記焦点検出装置は、この焦点検出装置へ入射される前記反射光束の光線が、前記第１面に結像されるのに先立って互いに交差しないように構成されることを特徴とする。
【００１９】
このように、本発明の焦点センサは、対物レンズと焦点検出装置の間に光軸に沿って設けられ、対物レンズを透過する反射光束を受光し、焦点検出装置に反射光束を出射するように構成されたリレーレンズ装置を備えるものとしてもよい。
このような本発明において、リレーレンズ装置は、焦点検出装置の焦点検出部の入射瞳付近に設けられる画像面に、リレーレンズ装置と対物レンズの間に光軸に沿って設けられる第１面を結像する。あるいは、リレーレンズ装置は、光軸に沿って焦点検出部の入射瞳付近の位置で、対物レンズに隣接し光軸に沿って設けられる焦点センサの対物レンズ瞳に隣接する面を結像する。
【００２０】
このようなリレーレンズ装置は、光束分割面と二重焦点検出装置の間に設けられる。リレーレンズ装置は、光束分割面と対物レンズの間に設けられ、反射光束と同様に、照明光束が通過するように構成されてもよい。リレーレンズ装置は、照明光束を拡大し、反射光束を縮小するようにされてもよい。リレーレンズ装置を用いる実施形態において、焦点検出装置は、二重範囲焦点検出装置あるいは単一範囲シャックハルトマン焦点検出装置であってもよい。どちらの場合でも、リレーレンズ装置は、焦点センサの焦点検出範囲を広げることができる。
本発明において、焦点センサは、機械視覚検査システムと一体化され、上記対物レンズは、機械視覚検査システムの対物レンズを含むとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態として、二重範囲焦点検出装置を用いた焦点センサを示す概略図である。
【図２】前記第１実施形態において、二重範囲焦点検出装置で検出された波面曲率の３つの事例を示す概略図である。
【図３】前記第１実施形態において、二重範囲焦点検出装置で検出された波面曲率の３つの事例を示す概略図である。
【図４】前記第１実施形態において、二重範囲焦点検出装置で検出された波面曲率の３つの事例を示す概略図である。
【図５】前記第１実施形態において、二重範囲焦点検出装置で起こり得る回避すべき問題点を示す概略図である。
【図６】前記第１実施形態において、二重範囲焦点検出装置で起こり得る回避すべき問題点を示す概略図である。
【図７】本発明の第２実施形態として、前記図５の問題点を回避する二重範囲焦点検出装置を示す概略図である。
【図８】前記第２実施形態において、前記図６の問題点を回避する二重範囲焦点検出装置を示す概略図である。
【図９】本発明の第３実施形態として、前記第１実施形態の二重範囲焦点検出装置とリレーレンズ装置とを組み合わせた焦点センサを示す概略図である。
【図１０】前記各実施形態に係る二重範囲焦点検出装置に用いられるサブ開口に関する特徴を示す概略図である。
【図１１】前記各実施形態に係る二重範囲焦点検出装置に用いられる光検出器に関する特徴を示す概略図である。
【図１２】本発明の第４実施形態として、前記第２実施形態に係るリレーレンズ装置と様々な焦点検出装置を用いる焦点センサを示す概略図である。
【図１３】本発明の第５実施形態として、リレーレンズ装置と単一範囲シャックハルトマン焦点検出装置を用いる焦点センサを示す概略図である。
【図１４】前記図１３の焦点センサの追加要素を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明の第１実施形態として二重範囲焦点検出装置１１０を有する焦点センサ１００を示す概略図である。
焦点センサ１００は、照明光源１０、コリメータレンズ１５、第１光束分割面２０、対物レンズ３０、二重範囲焦点検出装置１１０を備える。図１には、第２光束分割面２５、カメラ５０、ノミナル焦点面ＦＰ、ワーク表面４０も示される。第２光束分割面２５およびカメラ５０は、焦点センサ１００を構成する上で必須ではなく、図１の構成において、焦点センサ１００は、カメラ５０を含む機械視覚検査システムと一体化し、第２光束分割面２５は、その一体化を円滑にしている。
【００２３】
具体的には、対物レンズ３０は、機械視覚検査システムによって構成され、第２光束分割面２５を透過する画像光２３によって、カメラ５０にワーク検出画像を送信する。対物レンズ３０は、焦点センサ１００の一部としても機能し、焦点センサ１００の光軸ＯＡに沿って、第２光束分割面２５から二重範囲焦点検出装置１１０に向かって反射される反射光束１３’を透過する。詳細については、以下に説明する。
本実施形態において、焦点センサ１００は画像光２３を認識せず、カメラ５０は照明光源１０からの光を認識しない。別の実施形態においては、画像光２３および照明光源１０からの光は、それぞれカメラ５０および焦点センサ１００に同期して、異なったタイミングで照射されてもよい。以下の記載からわかるように、焦点センサ１００を独立して操作可能であり、第２光束分割面２５やカメラ５０を省略してもよい。
【００２４】
焦点センサ１００の操作に関して、照明光源１０から照射された照明光束１３は、コリメータレンズ１５に受光され、コリメータレンズ１５は、固定平行度か平行度付近の照明光束１３を出射する。照明光束１３は、第１光束分割面２０に出射され、第１光束分割面２０から第２光束分割面２５に出射（および偏向）され、さらに対物レンズ３０に出射（および偏向）される。対物レンズ３０は、照明光束１３を受け、光軸ＯＡに沿ってノミナル焦点面ＦＰに焦点を合わせる。ここで、ノミナル焦点面ＦＰと対物レンズ３０に対して固定された基準面ＲＥＦとの距離をＺＮＯＭとする。
【００２５】
図１に示すように、ワーク表面４０は、光軸ＯＡに沿って、検出距離Ｚ＝ＺＮＯＭ＋ΔＺだけ離れた位置に設けられる。ワーク表面４０は合焦した照明光束１３を受けて反射光束１３’として反射する。対物レンズ３０は、反射光束１３’を受け、透過する。透過された反射光束１３’は、第２光束分割面２５に入射してから、第１光束分割面２０に入射するよう出射（および偏向）され、さらに二重範囲焦点検出装置１１０に入射するように光軸ＯＡに沿って出射される。
図１には、二重範囲焦点検出装置１１０へ入射される２つの波面ＷＦ（ＺＮＯＭ），ＷＦ（＋ΔＺ）が示される。湾曲波面ＷＦ（＋ΔＺ）は、ノミナル焦点面ＦＰから距離＋ΔＺだけ離れたワーク表面（例えば図１に示されるワーク表面４０）から生ずる境界光線ＬＲ１，ＬＲ２に相当する反射光束１３’に対応する。境界光線ＬＲ１，ＬＲ２については、図９に基づいて後に詳述する。平らな波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）は、ノミナル焦点面ＦＰに位置するワーク表面（図示せず）から反射光束１３’が生ずる場合に対応する。本実施形態において、二重範囲焦点検出装置１１０は、以下に詳述するように、反射光束１３’の公称波面曲度によって、焦点および範囲あるいはその何れかの信号を供給する。
【００２６】
二重範囲焦点検出装置１１０は、広範囲の第１焦点検出範囲で作動する広範囲焦点検出装置と、第１焦点検出範囲内にあるより狭い範囲の第２焦点検出範囲で作動する高分解能焦点検出装置とを有する。一般的に、広範囲焦点検出装置は、広検出範囲の限界にあるため大幅に焦点がぼけたワーク表面に対応する曲率の高い波面であっても、利用可能な低分解能信号を生成する。高分解能焦点検出装置では、焦点面ＦＰに近接するワーク表面に対応する比較的曲率の低い波面に対して利用可能な高分解能信号を生成する。
図１に示すように、広範囲焦点検出装置は、広範囲サブ開口１２５と、広範囲サブ開口１２５からの光を受ける広範囲光検出器１３５を備える。以下に詳述するように、この受けられた光は、広範囲光検出器１３５に寸法Ｄｓｐｏｔ（Ｚ）のスポットＤＳＢＲを形成する。広範囲サブ開口１２５は、光軸ＯＡを通過させるように構成される。広範囲焦点検出装置は、焦点検出範囲で単調に変化する広範囲の焦点および範囲あるいはその何れかの信号を生成するよう構成される。
【００２７】
一方、高分解能焦点検出装置は、シャックハルトマン構造を有し、本実施形態においては、光軸ＯＡから離間して設けられる高分解能サブ開口レンズ１２０Ａ，１２０Ｂと、スポットＤＳＡ，ＤＳＢにおいて高分解能サブ開口レンズ１２０Ａ，１２０Ｂからの光をそれぞれ受ける高分解能光検出器１３３Ａ，１３３Ｂとを備える。
広範囲光検出器１３５および高分解能光検出器１３３Ａ，１３３Ｂは、それぞれ光検出アレイ１３０の一部分であってもよい。詳細は後に図１０および図１１に基づいて説明する。いずれにせよ、広範囲光検出器１３５および高分解能光検出器１３３Ａ，１３３Ｂは、電力を受け、電力信号接続部１５０を介して信号処理および制御回路（図示略）に信号を出力する。
【００２８】
図２，図３，図４は、図１の一般的な二重範囲焦点検出装置１１０の代わりに用いられる二重範囲焦点検出装置２１０の第１実施形態によって検出された波面曲率の３つの事例を示す。
検出装置２１０の構成や操作は、図１の二重範囲焦点検出装置１１０と類似する。以下の説明において、特に記載がない限り、これらの図２〜図４において２００番台（例えば２ＸＸ）の参照番号を付与された構成要素は、図１において１００番第（例えば１ＸＸ）の参照番号を付与された構成要素と類似または同一である。例えば参照番号２２０Ａと参照番号１２０Ａとは類似ないし同一の要素である。
【００２９】
図２〜図４において、二重範囲焦点検出装置２１０は、広範囲サブ開口２２５および広範囲光検出器２３５を有する広範囲焦点検出装置と、高分解能サブ開口レンズ２２０Ａ，２２０Ｂおよび高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂを有する高分解能検出装置と、電力信号接続部２５０と、を備える。高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂは、スポットＤＳＡ，ＤＳＢの位置を検出する側方効果光ダイオードを有してもよい。また、後に図１０および図１１を参照して詳述するように、広範囲光検出器２３５および高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂは、光検出器アレイ２３０の一部であってもよい。光検出器アレイ２３０はカメラチップなどの光検出器を有してもよい。
広範囲焦点検出装置の操作に関して、広範囲サブ開口２２５を通過する反射光束１３’の波面の一部は、広範囲光検出器２３５にスポットＤＳＢＲを形成する。スポットＤＳＢＲの寸法は、Ｄｓｐｏｔ（Ｚ）であり、波面曲率や広範囲サブ開口２２５を通過する光の収束や拡散の度合によって変化する。波面曲率は、可変距離Ｚ（図１参照）によって変化する。したがって、寸法Ｄｓｐｏｔ（Ｚ）は、可変距離Ｚに依存し、これを指し示す。図２〜図４の各構成において、広範囲サブ開口２２５は、単純な構成の開口（後に図１０および図１１に基づいて説明するのと類似の開口マスクなど）である。寸法Ｄｓｐｏｔ（Ｚ）は、広範囲光検出器２３５からの単数あるいは複数の信号に基づいて決定される。
【００３０】
高分解能焦点検出装置の操作に関して、反射光束１３’の波面の一部分は、高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂにおける検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢを形成する高分解能サブ開口レンズ２２０Ａ，２２０Ｂによって焦点が合わせられる。公知のシャックハルトマン技術では、検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢの位置は入射される波面曲率によって変化する。信号が高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂによって生成され、これにより検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢの位置座標ＳＮＡ（Ｚ），ＳＮＢ（Ｚ）が、公知の技術によって決定される。実施形態において、高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂは、ピクセルアレイを有する。検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢはそれぞれいくつかのピクセルをカバーし、重心計算によってサブピクセル位置補間を行い、各検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢの位置座標を決定する。
本実施形態において、位置座標ＳＮＡ（Ｚ），ＳＮＢ（Ｚ）は、任意に設定される基準位置ＲＰに対して測定される。基準位置ＲＰは、図示されるように光検出器２３３Ｂの先端に応じて指定される。２つの位置座標ＳＮ２（Ｚ），ＳＮ１（Ｚ）の間の測定差ΔＳＮ（Ｚ）＝ＳＮ２（Ｚ）−ＳＮ１（Ｚ）は、反射光束１３’の波面曲度を示し、広範囲焦点検出装置よりも、波面曲度や可変距離Ｚをはるかに高い分解能で測定できる。
【００３１】
図２は、二重範囲焦点検出装置２１０が、Ｚ＝ＺＮＯＭとなるよう（つまり、焦点面ＦＰに）位置するワーク表面に対応して、平らな波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）を入力する場合を示す。平らな波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）の場合、高分解能焦点検出装置において、検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢは、それぞれ対応するサブ開口レンズ２２０Ａ，２２０Ｂの光軸にあわせて、公称位置座標ＳＮＡ（ＺＮＯＭ）とＳＮＢ（ＺＮＯＭ）とに配置されるよう高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂに形成される。得られる測定差ΔＳＮ(ＺＮＯＭ)は、可変距離Z（図１に図示される）を示すので、この場合、ＸＮＯＭとなる。一方、広範囲焦点検出装置において、平らな波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）の場合、光検出器２３５のスポットＤＳＢＲは、名目上平行な光によって形成される。また、スポットＤＳＢＲは、波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）が平らであり、距離ＺがＺＮＯＭであることを示す公称スポット寸法Ｄｓｐｏｔ（ＺＮＯＭ）を有する。上記は、照明焦点高さがワーク表面高さと一致し、波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）が平らな場合、公称位置座標はＳＮＡ（ＺＮＯＭ）とＳＮＢ（ＺＮＯＭ）であり、公称スポット寸法はＤｓｐｏｔ（ＺＮＯＭ）であるというここで用いられる決まりに従っている。一般的に、ワーク表面が焦点面ＦＰからずれる場合、波面は平らではない。
【００３２】
図３は、波面ＷＦ（＋ΔＺ）の曲率が正である場合を示す（図１において点線で示されるように、距離Ｚ＝ＺＮＯＭ＋ΔＺとなるようワーク表面４０から反射される光線に対応する波面ＷＦ（＋ΔＺ）の場合と同様である）。
シャックハルトマンセンサとして知られる高分解能焦点検出装置において、湾曲波面ＷＦ（＋ΔＺ）の場合、検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢは、公称位置以外に形成される。ここでは、高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂの位置座標ＳＮＡ（＋ΔＺ）とＳＮＢ（＋ΔＺ）に、測定差がΔＳＮ（＋ΔＺ）となるように形成される。ΔＳＮ（＋ΔＺ）は、ΔＳＮ（ＺＮＯＭ）よりも大きく、波面を生じさせるワーク表面が公称照明焦点距離ＦＤを越える距離＋ΔＺに位置することを示す。広範囲焦点検出装置において、湾曲波面ＷＦ（＋ΔＺ）の場合、光検出器２３５のスポットＤＳＢＲは、名目上収束する光によって形成され、Ｄｓｐｏｔ（ＺＮＯＭ）よりも小さいスポット寸法Ｄｓｐｏｔ（＋ΔＺ）を有する。これによって、波面を生じさせるワーク表面が公称照明焦点距離ＦＤを越える距離＋ΔＺに位置することが示される。
【００３３】
図４は、波面ＷＦ（−ΔＺ）の曲率が負である場合を示す。シャックハルトマンセンサとして知られる高分解能焦点検出装置において、湾曲波面ＷＦ（−ΔＺ）の場合、検出スポットＤＳＡ，ＤＳＢは、公称位置以外に形成される。ここでは、高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂにおける位置座標ＳＮＡ（−ΔＺ）とＳＮＢ（−ΔＺ）に、測定差がΔＳＮ（−ΔＺ）となるように形成される。ΔＳＮ（−ΔＺ）は、ΔＳＮ（ＺＮＯＭ）よりも小さく、波面を生じさせるワーク表面が公称照明焦点距離ＦＤよりも対物レンズ３０（図１参照）に近い距離−ΔＺに位置することを示す。一方、広範囲焦点検出装置において、湾曲波面ＷＦ（−ΔＺ）の場合、広範囲光検出器２３５のスポットＤＳＢＲは、名目上拡散する光によって形成され、Ｄｓｐｏｔ（ＺＮＯＭ）よりも大きいスポット寸法Ｄｓｐｏｔ（−ΔＺ）を有する。これによって、波面を生じさせるワーク表面が公称照明焦点距離ＦＤよりも対物レンズ３０に近い距離−ΔＺに位置することが示される。
【００３４】
図２〜図４において、波面曲率は、スポットＤＳＡ，ＤＳＢがそれぞれ高分解能光検出器２３３Ａ，２３３Ｂの範囲内に留まる程度に小さい。よって、高分解能焦点検出装置は、作動可能である。このような場合において、広範囲焦点検出装置は、余分な低分解能距離を測定する。しかし、当然ながら、より大きな波面曲率である場合、スポットＤＳＡ，ＤＳＢが各検出器の外に移動するため、高分解能焦点検出装置は作動不可能になる。そして、広範囲焦点検出装置からの低分解能信号は、焦点制御するための重要な焦点および範囲あるいはその何れかの情報をもたらす。図３および図４に示されるように、広範囲光検出器２３５において、スポット寸法Ｄｓｐｏｔには、寸法変更用のマージンがある。そのため、スポットＤＳＡ，ＤＳＢが各検出器の限界値を超えても、利用可能な測定信号を生成する。しかし、図２〜図４に示される広範囲焦点検出装置において、図５および図６を参照して記載されるような理由から、追加的な測定範囲は比較的制限される。
【００３５】
図５および図６は、二重範囲焦点検出装置、特に広範囲焦点検出装置において、起こり得る問題点を示す。
図５は、図２で説明した波面ＷＦ（＋ΔＺ）を有する二重範囲焦点検出装置２１０を示す。図６は、図３で説明したかなり大きく湾曲した波面ＷＦ（＋ＺＰＲＯＢ）を有する二重範囲焦点検出装置２１０を示す。波面ＷＦ（＋ＺＰＲＯＢ）の曲率によっては、高分解能焦点検出装置は作動不可能になる。広範囲焦点検出装置は、利用可能な信号（例えば、有意なスポット寸法Ｄｓｐｏｔ（＋ＺＰＲＯＢ））を生成することが望ましい。しかし、図５および図６に示すように、（２つの異なるＺ距離、＋ΔＺと＋ＺＰＲＯＢに対応する）２つの波面曲率が異なっていても、広範囲サブ開口２２５を通過する光線の収束度合によっては、広範囲光検出器２３５のスポット寸法が同一になる場合がある。
【００３６】
具体的には、広範囲サブ開口２２５を通過する光線が強く収束するため、広範囲光検出器２３５に到達する前に交差または合焦し、拡散する場合、交差しない光線によって形成されるスポット寸法と同一のスポット寸法となる。そして、両義に取れるようなスポット寸法およびそれに対応して両義に取れるようなＺ距離測定信号が生成される可能性がある。言い換えると、そのような両義性のあるスポット寸法とＺ距離測定信号との間では、スポット寸法とＺ距離測定信号が単調に変化しない。このような測定の両義性を避けるため、二重範囲焦点検出装置２１０の焦点検出範囲は、非単調測定信号を排除するように制限され、許容可能な焦点検出範囲を限定する必要がある。ただし、実用上、焦点検出範囲は、最も大きいことが望ましい。
【００３７】
図７および図８は、本発明の第２実施形態として、図１の二重範囲焦点検出装置１１０または図２〜図４の二重範囲焦点検出装置２１０の代わりに使用可能な二重範囲焦点検出装置４１０に関し、この二重範囲焦点検出装置４１０によって検出された波面曲率の２つの事例を示す概略図である。
検出装置４１０の構成要素や操作は、検出装置２１０と類似する。特に記載がない限り、図２〜図４において２ＸＸのように参照番号を付与された構成要素は、図７および図８において４ＸＸのように参照番号を付与された構成要素と類似または同一である。例えば４２０Ａと２２０Ａは類似または同一である。高分解能焦点検出装置の構成要素、構造および操作（４２０Ａ，４２０Ｂ，４３０Ａ，４３０Ｂなど）は同一であるため、それらの説明を省略する。
【００３８】
本実施形態の二重範囲焦点検出装置４１０は、図５および図６に示された前記第１実施形態の範囲限定問題に対応するものである。
図７および図８に示すように、広範囲焦点検出装置において、広範囲サブ開口４２５は、焦点変更レンズを有する。また、広範囲光検出器４３５は、二重範囲焦点検出装置２１０の場合と比較すると、広範囲サブ開口４２５に比較的近い。その結果、図７に示すように、広範囲サブ開口４２５の焦点変更レンズは、湾曲波面ＷＦ（＋ΔＺ）の光線収束度を下げ、広範囲光検出器４３５の検出面を十分に超えた位置で、光線を合焦させる。同様に、図８に示すように、広範囲サブ開口４２５の焦点変更レンズは、湾曲波面ＷＦ（＋ＺＰＲＯＢ）の光線収束度を下げる。これらの光線も広範囲光検出器４３５の検出面を超えた位置で合焦される。したがって、同一の波面ＷＦ（ΔＺ）とＷＦ（＋ＺＰＲＯＢ）であっても、図５および図６に基づいて前述したような両義性を持つ結果とは異なり、二重範囲焦点検出装置４１０におけるスポット寸法と測定結果は、両義性を持たない。図７および図８に示されるものの間の波面曲率の場合、Ｚ距離測定信号は、単調に変化する。よって、広範囲サブ開口４２５の焦点変更レンズを有する二重範囲焦点検出装置４１０は、二重範囲焦点検出装置２１０よりも広い焦点検出範囲に対応できる。
【００３９】
図９は、本発明の第３実施形態として、前記第１実施形態の二重範囲焦点検出装置１１０に、さらにリレーレンズ装置５２５を組み合わせた焦点センサ５００を示す。
焦点センサ５００の構成要素や操作は、多くの点で図１の焦点センサ１００と類似する。図９の構成要素は、図１において対応する構成要素と類似または同一である。したがって、大きな相違点のみを以下に記載する。
【００４０】
焦点センサ５００は、前述した範囲を限定してしまうという問題点に対応し、この範囲を広げることができる。
具体的には、図１および図９に対照されるように、ワーク表面が焦点距離ＦＤを越えた位置に設けられる場合（例えば、ワーク表面４０が焦点面ＦＰを＋ΔＺ超えた距離に位置する場合）、反射境界光線ＬＲ１，ＬＲ２は、収束する。図１の焦点センサ１００を用いると、焦点面ＦＰを超えた距離によっては、二重範囲焦点検出装置１１０に入射される波面がサブ開口を満たさないほど小さくなるような収束が起こる場合がある。そうすると、二重範囲焦点検出装置１１０は、誤った結果を導き出したり、作動不可能になったりする。
焦点センサ５００は、リレーレンズ装置５２５を有することによって、この潜在的な範囲を限定してしまうという問題を解消する。
【００４１】
本実施形態において、リレーレンズ装置５２５は、二重範囲焦点検出装置１１０の入射部に隣接して設置される。具体的には、リレーレンズ装置５２５は、単数あるいは複数のレンズを有する。このレンズは、光軸に沿って対物レンズ３０に隣接する対物レンズ瞳Ｅを、光軸に沿って二重範囲焦点検出装置１１０の入射部に隣接する二重範囲焦点検出部の入射瞳Ｅ’の位置で撮像するために構成される。
図９に示される通り、本実施形態において、リレーレンズ装置５２５は、第１光束分割面２０から反射光束１３’が入射されるように設けられた第１リレーレンズ５２６を有し、反射光束１３’は、さらに少なくとも二重範囲焦点検出装置１１０の広範囲検出装置のサブ開口に隣接する第２リレーレンズ５２７に出射される。図９に示されるように、ワーク表面との距離にかかわらず、第２リレーレンズ５２７は、二重範囲焦点検出部の入射瞳Ｅ’をほぼ満たす反射光束１３’の波面を出射する。よって、リレーレンズ装置５２５を有する焦点センサ５００は、焦点センサ１００と比較して、少なくとも広焦点検出範囲を広げ、実施形態によっては、高分解能焦点検出範囲も広げる。なお、図９におけるリレーレンズ装置５２５の実施形態は、単なる一例にすぎず、本発明はこれに限定されない。
【００４２】
図１０および図１１は、本発明の二重範囲焦点検出装置に利用可能なサブ開口および光検出器の一例に関する特徴を示す。
具体的には、図１０にはサブ開口装置６２０が示され、図１１には光検出装置６３０が示されている。前述した説明から類推できるように、本実施形態の二重範囲焦点検出装置において、サブ開口装置６２０の中心と光検出装置６３０の中心は、光軸に沿って一致するように設けられる。
【００４３】
図１０において、サブ開口装置６２０は広範囲焦点検出装置に利用される広範囲サブ開口６２５を有する。広範囲サブ開口６２５は、孔あるいは焦点変更レンズを有する光透過性サブ開口部６２５Ａを含む。光透過性サブ開口部６２５Ａの大きさは、周囲マスク６２５Ｂによって決定される。
サブ開口装置６２０は、高分解能焦点検出装置に利用される複数の高分解能サブ開口レンズ６２０Ａ〜６２０Ｆを有する。高分解能サブ開口レンズ６２０Ａ〜６２０Ｆの操作は、公知のシャックハルトマン検出装置の操作原理に従う。
【００４４】
図１１において、光検出装置６３０は、広範囲焦点検出装置に利用される広範囲光検出器６３５と、高分解能焦点検出装置に利用される複数の光検出器６３３Ａ〜６３３Ｆとを備える。光検出装置６３０は、市販あるいは特注の画像用アレイ回路などの光検出器アレイであってもよい。本発明に用いられる広範囲光検出器６３５および高分解能光検出器６３０Ａ〜６３０Ｆは、それぞれ全体の光検出器アレイの一部分であり、物理的に統合されて個々に分別できない場合をも含む。
様々な検出器は、上述した原理に従いサブ開口装置６２０および光検出装置６３０を用いる二重範囲焦点検出装置で測定信号を生成するためのスポット寸法や位置を決定するピクセルによって簡単に識別される。
【００４５】
図１０および図１１に示されるサブ開口装置６２０および光検出装置６３０の操作は、先の図面に説明される実施形態から類推することで理解可能である。
簡潔に述べると、高分解能焦点検出装置に関して、サブ開口装置６２０の高分解能サブ開口レンズ６２０Ａ〜６２０Ｆは、光検出装置６３０の高分解能光検出器６３３Ａ〜６３３Ｆの検出スポットＤＳＡ〜ＤＳＦにそれぞれ入射波面の部分の焦点を合わせる。図１１において、高分解能光検出器６３３Ａ〜６３３Ｆにおける「白い」焦点スポットの位置（ピクセル座標）は、平らな入射波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）とそれに対応するワーク表面距離Ｚ＝ＺＮＯＭを示す。そして、黒い焦点スポットＤＳＡ〜ＤＳＦの位置（ピクセル座標）は、湾曲波面入射（ＷＦ（+ΔＺ）など）とそれに対応する表面距離Ｚ＝ＺＮＯＭ＋ΔＺを示す。検出器スポットＤＳＡ〜ＤＳＦの位置（ピクセル座標）の検出（例えば、その重心位置などによる）については、当該分野において既知であり、前述した特許文献３で詳細に述べられている。
【００４６】
一方、広範囲焦点検出装置において、広範囲サブ開口６２５は、光軸に沿って設けられ、光検出装置６３０の一部に構成される広範囲光検出器６３５の検出スポットＤＳＢＲに入射波面の中心部分を照射する。上記の通り、検出器スポットＤＳＢＲは、入射波面の曲率に応じた大きさ（直径や面積など）を有する。図１１において、広範囲光検出器６３５の「白い」スポットＤＳＢＲの外形寸法は、平らな入射波面ＷＦ（ＺＮＯＭ）とそれに対応するワーク表面距離Ｚ＝ＺＮＯＭを示し、同心の「黒い」スポットＤＳＢＲの外形寸法は、湾曲波面入射（ＷＦ（+ΔＺ）など）とそれに対応する表面距離Ｚ＝ＺＮＯＭ＋ΔＺを示す。アレイ検出器のスポット寸法の測定方法は、例えば、閾値を超える信号を有するピクセルに基づいて直径や面積を検出する方法など当該分野において既知であり、ここでは説明を省略する。なお、検出器６３５の代わりに使用可能な光検出装置のスポット寸法の測定方法は、米国特許番号５，１１３，３８６に記載されたものを利用することができる。
【００４７】
このような本発明の二重範囲焦点検出装置は、新規かつ特に有利な新しい特徴の組み合わせによって独自の効果を導き出す。例えば、高分解能焦点検出装置の部分にはシャックハルトマン装置が用いられる一方で、光軸に隣接する波面領域にはシャックハルトマンとは異なる広範囲焦点検出装置が効果的に用いられる。
光軸に沿って設けられるシャックハルトマンのサブ開口は、波面曲率に対応を感知しない一方で、広範囲焦点検出装置は、光軸に沿う入射サブ開口を有することでより簡単な構造や確実な操作を実現するため、上記のような構造は効果的である。反対に、光軸から離れて設けられるシャックハルトマンのサブ開口は、所望通りに波面曲率を感知する。
これらの特徴の組み合わせることで、広範囲焦点検出装置および高分解能焦点検出装置のサブ開口は、二重範囲焦点検出装置において、光束分割面などを要することなく同一波面をサンプリング可能である。また、単一の検出器アレイが、広範囲および高分解能の各サブ開口に付随するすべての測定信号を生成する。ここに図示される広範囲焦点検出装置は、「スポット寸法」の検出器であるが、光軸上や光軸に隣接するサブ開口とともに設けられる他の公知の広範囲焦点検出装置（ナイフエッジ焦点センサなど）を、特定の装置の代わりに適宜用いてもよい。
本発明において、広範囲焦点検出装置は、単一の広範囲焦点検出信号または複数の光検出信号から生じる信号（差信号など）を出力する。あるいは、ワーク表面位置によって変化し、ワーク表面位置を示すために外部で処理される複数の光検出信号（ピクセル出力など）を直接出力してもよい。
【００４８】
図１２は、本発明の第４実施形態として、二重範囲焦点検出装置あるいは単一範囲焦点検出装置と組み合わせたリレーレンズ装置７２５を用いる焦点センサ７００を示す。
焦点センサ７００の構成要素や操作は、多くの点で図９の焦点センサ５００と類似する。特に以下で記載しない限り、図１２の構成要素は、図９において対応する構成要素と機能的に類似する（例えば、７２５は、５２５と同様に機能する）。したがって、大きな相違点のみを以下に述べる。
図１２の焦点センサ７００は、真っ直ぐな光軸ＯＡを有する「直線的に」構成であるが、これは、以下に記載する特徴や寸法の関係をより明確に示すためである。光軸ＯＡは、必要に応じて、追加的な要素を用いて上述の焦点センサと同様に構成されてもよい。
【００４９】
焦点センサ７００の構成要素の新しい組み合わせや配置は、機械視覚システム焦点センサに特有の効果をもたらす。
図１２に示されるように、焦点センサ７００は、対物レンズ瞳Ｅを有する対物レンズ３０、光束分割面２５、カメラ５０、第１リレーレンズ７２６および第２リレーレンズ７２７を有するリレーレンズ装置７２５、光束分割面２０’、コリメータレンズ１５’、照明光源１０’、入射瞳Ｅ’を有する焦点検出装置７１０を備える。
ここで、本実施形態の焦点センサ７００と図９の焦点センサ５００の主な違いは、照明光源１０’と光束分割面２０’が、第２リレーレンズ７２７と焦点検出装置７１０との間の光路に配置されて動作することである。図９の焦点センサ５００と比較すると、この構造は、新しくかつ有益な組み合わせであり、特に以下に述べるように実用面で効果的である。
【００５０】
焦点センサ７００の操作に関して、上記の通り、照明光源１０’からの照射光はコリメータレンズ１５’により受光され、照明光軸ＩＯＡに沿って照明光束１３が出射される。照明光束１３は、第１光束分割面２０’に反射され、偏向して、リレーレンズ装置７２５の第２リレーレンズ７２７と第１リレーレンズ７２６、第２光束分割面２５’、さらに対物レンズ３０を光軸OAに沿って通過する。対物レンズ３０は、上述したように、ノミナル焦点面ＦＰに照明光束１３の焦点を合わせる。ワーク表面４０は、合焦した照明光束１３を、画像光を含む反射光束１３’として反射する。上述の通り、反射光束１３’に含まれる照明光束は、ワーク表面４０とノミナル焦点面ＦＰの関係を示す波面曲率を有する。反射光束１３’は、前述の光路を反対方向にたどる。ただし、第２光束分割面２５’において反射光束１３’に含まれる画像光が反射されてカメラ５０に画像光を供給する。反射光束１３’の作動部分は、第１光束分割面２０’、入射瞳Ｅ’を透過し、焦点検出装置７１０に入射する。
【００５１】
リレーレンズ装置７２５は、対物レンズ瞳Ｅを結像することが望ましい。図９の焦点センサ５００と比較すると、焦点センサ７００の利点は、第１リレーレンズ７２６が第２光束分割面２５’および対物レンズ瞳Ｅにより近い位置に設けられることである。したがって、第１リレーレンズ７２６は、この条件を比較的短い焦点距離で満たしうる。よって、焦点センサ７００は、焦点センサ５００より経済的かつコンパクトであり、実用的である。
本実施形態では、焦点センサ７００のリレーレンズ装置７２５は、照明光束１３が対物レンズ３０の対物レンズ瞳Ｅをほぼ満たすか、はみ出すくらいの状態で対物レンズ瞳Eを通るように、照明光束１３の直径を拡大する。図９の照明構造と比較すると、この拡大構造のおかげで、所定の光収束角についてコリメータレンズ１５’や光束分割面２０’を小さくし、コリメータレンズ１５’と照明光源１０’の間の光路を短くすることができる。焦点センサ７００のこれらの特徴全てによって、図９の焦点センサ５００より経済的かつコンパクトとすることができ、これは実用上、非常に重要である。
【００５２】
本実施形態における他の重要な利点は、焦点センサ７００のリレーレンズ装置７２５が、焦点検出装置７１０によって検出される湾曲波面を伝達する反射光束１３’の直径を縮小することである。そのように縮小した結果、波面曲率が上がり、焦点センサ７００の感度も上がる。
様々な効果を持つ設計を以下に説明する。
図１２において、対物レンズ３０から対物レンズ瞳Ｅまでの距離ｄＯＢＪＥ、対物レンズの焦点距離ｆＯＢＪである。また、対物レンズ瞳Ｅからレンズ７２６までの距離ｄＥＲ１（より一般的には、対物レンズ瞳Ｅからリレーレンズ装置７２５の前主平面（対物レンズ３０側のレンズの主平面）までの距離）である。第１リレーレンズ７２６の焦点距離ｆＲ１、第２リレーレンズ７２７の焦点距離ｆＲ２である。さらに、第２リレーレンズ７２７から焦点検出装置７１０の入射瞳Ｅ’までの距離ｄＲ２Ｅ’（より一般的には、入射瞳Ｅ’とリレーレンズ装置７２５の後主平面（焦点検出装置７１０側のレンズの主平面）の距離）である。
本実施形態においては、図１２に示すように、第１リレーレンズ７２６と第２リレーレンズ７２７は、それらの焦点距離の合計分だけ離れており、拡大率ｆＲ１／ｆＲ２が得られる。実施形態において、拡大率が２程度（１．５から３までの範囲内）であれば、他の実用的な設計とバランスを保つことができ、上記の利点を得ることができる。
【００５３】
前述したように、焦点検出部の入射瞳Ｅ’またはその付近で対物レンズ瞳Ｅを撮像するため、第１リレーレンズ７２６が焦点距離ｆＲ１分だけ対物レンズ瞳Ｅから離れる、つまりｄＥＲ１＝ｆＲ１である場合が最も効果的である。ただし、ｄＥＲ１＝ｆＲ１であることは必須ではない。以下に記載する式１のような異なる条件を満たすように設定しても、焦点検出部の入射瞳Ｅ’またはその付近で対物レンズ瞳Ｅを撮像することができる。
また、対物レンズ瞳Ｅの面以外の面が、入射瞳Ｅ’付近の面でリレーレンズ装置に撮像されてもよい（例えば、入射瞳Ｅ’から＋／−＊ｄＲ２Ｅ’の範囲で作動可能な位置に設けられる画像面）。この場合も、適切に制限されるレンズ装置や実用的焦点範囲で、望ましい形で作動することは可能である。対物レンズ瞳Ｅは、対物レンズの主平面付近か対物レンズの主平面とリレーレンズ装置の間に配置されてもよい。そのような場合、リレーレンズ装置は、以下に述べる実用的な制限や条件を前提として、対物レンズとリレーレンズ装置の間にある面をより一般的な形で撮像する。
【００５４】
図１２に示される実施形態において、焦点距離ｆＲ１は、ｄＥＲ１より短い。つまり、ｆＲ１＜ｄＥＲ１である。そのような実施形態は、実際に用いる場合に、空間や構成要素の場所の制限あるいは実用上のレンズの制限という問題を克服するのに有用である。前述の「交差部分」とその他の類似の「信号極性反転」効果が、特定の焦点検出範囲において光軸ＯＡに沿う全ての位置で防止されることを条件としてこのような実施形態は許容可能である。交差部分を防止するための一般的なガイドラインは、少なくとも焦点検出装置に最終的に入射する反射光束光線がリレーレンズ装置に撮像される面に到達する前にお互いに交差しないように、焦点検出装置を構成することである。交差を防止するための距離の量的ガイドラインは、（（ｆＯＢＪ−ｄＯＢＪＥ）＋ｆＲ１）＞ｄＥＲ１である。しかし、実用上は、適切に制限された特定の焦点検出範囲を個別に設けることで交差防止に役立つ。例えば、図１２に示すように、光線ＬＲ１’，ＬＲ２’は、拡散するため交差しない。適切に制限されたレンズ装置においては、光線ＬＲ１とＬＲ２により示される収束光線も、実用上の焦点検出範囲内で交差を引き起こすほど収束しない。さらに、焦点センサ７００の動作は、第２リレーレンズ７２７の画像面の位置によって大きく影響されるわけではない。よって、様々な実施形態において利点となるものの、第２リレーレンズ７２７は、必ずしも入射瞳Ｅ’で結像しなくてもよい。
【００５５】
適切に制限されたレンズ装置に関し、性質上、対物レンズ焦点距離ｆＯＢＪは、対物レンズ（あるいは対物レンズ瞳Ｅ）からどれだけ離れれば所定量の焦点ぼけ＋／−ΔＺにより交差が生じるかをおおまかに反映することから、対物レンズ焦点距離ｆＯＢＪに言及する意味がある。
特に、経験に基づき実用的な実施形態においては、（ｄＥＲ１−ｆＲ１）＜３．０＊ｆＯＢＪの場合に操作が可能である。
その他の効果的な実施形態は、（ｄＥＲ１−ｆＲ１）＜２．０＊ｆＯＢＪを満たすように構成可能である。
さらに効果的な実施形態は、（ｄＥＲ１−ｆＲ１）＜１．０＊ｆＯＢＪを満たすように構成可能である。
互換性のある対物レンズが、焦点センサ７００のような焦点センサに用いられるとき、前述した関係式におけるｆＯＢＪは、互換性のあるレンズのなかで最も短い焦点距離とすべきである。もちろん、ｄＥＲ１がｆＲ１とほぼ等しい場合、互換性のある様々な対物レンズを任意に用いることができる。
【００５６】
上述したように、本実施形態において、焦点検出部入射瞳Ｅ’に対物レンズ瞳Ｅを結像させるために、第１リレーレンズ７２６と第２リレーレンズ７２７との焦点距離が、それぞれ距離ｄＥＲ１，ｄＲ２Ｅ’に一致する必要はない。むしろ、異なる条件下でも、対物レンズ瞳Ｅは、焦点検出部入射瞳Ｅ’に結像される。例えば、リレーレンズ装置７２５が２：１の拡大率を有する実施形態においては、対物レンズ瞳Ｅは、次の条件を満たせば、焦点検出部入射瞳Ｅ’に結像される。
【００５７】
【数１】
2010156670.tif 000003
……  （式１）
【００５８】
その他の拡大率を用いる場合は、当業者が類似の条件を適宜決定すればよい。したがって、ほとんどの場合、適切な設計をすることで、焦点検出部入射瞳E’で対物レンズ瞳Eを所望通りに結像させることができる。
上述したように、リレーレンズ装置７２５が反射光束１３’を縮小すると、反射光束１３’の波面を示す焦点曲率が上がるため、焦点センサ７００の感度も上がる。したがって、本発明の二重範囲焦点検出装置が焦点検出装置７１０として用いられる場合、この加えられた感度は、焦点検出装置の高分解能シャックハルトマン部分の分解能を高めるために用いられる。逆に、高分解能シャックハルトマン部分の分解能を維持し、対応可能な範囲を（例えば、より低い開口数を有する対物レンズを利用して）広げるために、この加えられた感度を用いることも可能である。図１３および図１４の焦点センサでは、後者が選択されている。結果として、二重範囲焦点検出装置は必要ではない。代わりに、単一範囲のシャックハルトマン焦点検出装置を用いて、様々な用途を満足する特定の焦点範囲が提供される。
【００５９】
図１３および図１４には、本発明の第５実施形態に係る焦点センサ８００の上部８００−Uおよび下部８８０−Lが概略図示されている。
焦点センサ８００は、前述した各実施形態における二重範囲焦点検出装置に代えて、単一範囲シャックハルトマン焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂとリレーレンズ装置７２５’を組み合わせて用いる。
焦点センサ８００の構成要素や操作は、図１２に示した二重範囲焦点検出装置７１０を用いる焦点センサ７００と多くの点で類似する。図１３および図１４の構成要素は、以下に特に記載がない限り、図１２における同様に番号が付けられた構成要素と類似する。例えば、図１３のリレーレンズ７２６’は、図１２のリレーレンズ７２６と機能的に同等である。以下には大きな相違点のみを説明する。
焦点センサ８００と図１２の焦点センサ７００との大きな相違点は、光軸ＯＡとＩＯＡをコンパクトに収めるために用いられる回転ミラー７４０〜７４９が追加される点と、図９で説明した焦点検出装置７１０に代えて二系統の単一範囲シャックハルトマン焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂが用いられる点である。
焦点センサ８００の構成要素の新たな組み合わせと配置は、特有の効果をもたらし、特に機械視覚検出システムの光学システムとの一体化に適している。
【００６０】
図１３に示すように、焦点センサ８００は、主に、照明光源１０”と、コリメータレンズ１５”と、第１光束分割面２０”と、以下より詳細に記載される入射瞳Ｅ’を有する焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂと、第１リレーレンズ７２６’および第２リレーレンズ７２７’を有するリレーレンズ装置７２５’と、Ｘ−Ｙ平面とＺ方向の間において焦点センサの光束を回転させる第２光束分割面２５”とを備える。
図１４に示すように、焦点センサ８００は、対物レンズ瞳Ｅを有する互換性のある対物レンズ３０’を、光軸ＯＡに沿うＺ方向に備える。これらの基本的な操作や関係性は、図１２に基づいた前述の記載内容から類推し、かつ下記内容から理解可能である。
焦点センサ８００について、照明光源１０”の照射光は、回転ミラー７４０に向けられ、コリメータレンズ１５”に入射する。コリメータレンズ１５”は、照明光軸ＩＯＡに沿って照明光束１３を出射する。照明光束１３は、第１光束分割面２０”により反射される。図１３に示される実施形態では、第１光束分割面２０’は、立法体ではなく、光束分割板であり、光軸ＩＯＡおよび光軸ＯＡあるいはその何れかに沿った立方体の表面から擬似的に反射されることを防止する。照明光束１３は、第１光束分割面２０”から偏向し、光軸ＯＡに沿って第２リレーレンズ７２７’を通過し、回転ミラー７４２に向かって合焦され、さらにリレーレンズ焦点面ＲＬＦＰへ向かう。
【００６１】
図１３から明らかなように、第２リレーレンズの焦点距離ｆＲ２は、距離（Ｌ５＋Ｌ５’）の合計に等しい。照明光束１３は、リレーレンズ焦点面ＲＬＦＰから、回転ミラー７４４に入射し、偏向して、光軸ＯＡに沿って第１リレーレンズ７２６’を通過する。第１リレーレンズ７２６’において照明光束１３は平行になり、光軸に沿ってさらに回転ミラー７４９に向かう。図１３に示すように、第１リレーレンズの焦点距離ｆＲ１は、距離（Ｌ４＋Ｌ４’）の合計に等しい。図１３に示されるようなリレーレンズ装置７２５’において、拡大率は２：１である。よって、図１２を参照して説明した特徴と同様に、焦点センサ８００の照明構造はコンパクトであり、比較的小さな径の照明でよく、これがリレーレンズ装置７２５’を通過することで所望の径（例えば、対物レンズの対物レンズ瞳を満たす直径）に拡大される。平行化された照明光束１３は、回転ミラー７４９から、第２光束分割面２５”に向かって反射される。第２光束分割面２５”において、Ｘ−Ｙ面に平行な照明光束１３は、図１４に示すようにＺ方向に照射するよう調整される。そして、照明光束１３は、光軸ＯＡに沿って、対物レンズ瞳Ｅと対物レンズ３０’を通過する。図１３および図１４に示されるように、対物レンズ瞳Ｅから第１リレーレンズ７２６’までの距離ｄＥＲ１は、距離（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）の合計に等しい。
【００６２】
対物レンズ３０は、前述したように、ノミナル焦点面ＦＰで照明光束１３を合焦させる。ワーク表面４０は、画像光を含む合焦した反射光束１３を反射光束１３’として反射する。照明光束１３に基づく反射光束１３’は、上述のように、ワーク表面４０とノミナル焦点面ＦＰの関係を示す波面曲率を有する。反射光束１３’は、前述の光路を反対方向にたどる。ただし、第２光束分割面２５”において、反射光束１３’に含まれる画像光は、画像光２３としてホスト機械視覚検出システムのカメラに向かって照射される。光束分割面や回転ミラーは、焦点センサ光束を効果的に伝達し、結像用の白光を効果的に用いるため、適切なダイクロイック・コーティングを有する。反射光束１３’は、第２光束分割面２５”から、照明光束１３の前記光路を逆方向に進む。ただし、反射光束１３’の作動部分は、第１光束分割面２０”から焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂの入射瞳Ｅ’へ出射される。リレーレンズ装置７２５’における反射光束１３’の減少係数が１：２であるため、波面曲率は増大し、シャックハルトマン焦点検出装置の信号も増加する。それによって、上述したように焦点センサ８００の感度も上がる。反射光束１３’が小さい直径を有することで、シャックハルトマン焦点検出装置７１０’ Ａ，７１０’Ｂにおいて、より小さく経済的な光学構成や配置が可能になる。
【００６３】
図１３に示されるシャックハルトマン焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂは、上述の様々な特徴と組み合わせて構成されるため、上記構成に比べて、焦点センサ８００の感度をさらに上げる。図１３で示される実施形態において、シャックハルトマン焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂの間には９０度の中央光束分割プリズム（あるいはミラー）７９０を備える。
反射光束１３’を縮小させて曲率を上げることで得られる利点は、隣り合うサブ開口レンズを用いるシャックハルトマン装置においては、実用上得ることができない。縮小された反射光束１３’に隣り合って配置できるような小さい精密レンズは、容易に得られない。得られたとしても、反射光束１３’の大部分がサブ開口レンズの外に照射され、検出部のＳ／Ｎ比を下げることになる。一方、焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂは、小さい光束直径であることから利点を得ることができる。実用上、焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂの入射瞳Ｅ’は、焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂがすべての光を利用できるように、反射光束１３’と光束分割プリズム７９０の交差箇所に構成される。  
【００６４】
焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂは、互いに左右対称に構成され、それぞれサブ開口レンズ７２０Ａ，７２０Ｂと、回転ミラー７４６Ａ，７４６Ｂと、偏向促進レンズ７２１Ａ，７２１Ｂと、光検出器７３３Ａ，７３３Ｂとを備える。
操作上、光束分割プリズム７９０は、大きさにかかわらず反射光束１３’を分割し、２つに分割された光束１３Ａ’，１３Ｂ’を反対方向に向かわせる。それによって、正確かつ経済的で、容易に入手できる部材を用いる構成を実現できる。焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂにおいて、波面曲率を伝搬する半割光束は、レンズ７２０に向かって照射され、合焦され、かつその波面曲率に応じて、横方向に偏位する。本実施形態では、サブ開口レンズ７２０Ａ，７２０Ｂは、限界開口ではなく、すべての半割光束を伝達する。この半割光束は、回転ミラー７４６Ａ，７４６Ｂに照射され、さらに偏向促進レンズ７２１Ａ，７２１Ｂに向かう。
偏向促進レンズ７２１Ａ，７２１Ｂは、サブ開口レンズ７２０Ａ，７２０Ｂから光路に沿って離れ、光検出器７３３Ａ，７３３Ｂに近い位置（例えば、サブ開口レンズ７２０Ａ，７２０Ｂからの距離が、光検出器７３３Ａ，７３３Ｂからの距離の少なくとも２倍離れている）に設けられる負レンズであり、ほぼ合焦され先に偏位した半割光束を受ける位置によって、さらに横方向に光束を偏位させる。別の実施形態において、ボールレンズのような正レンズが偏向促進レンズとして用いられてもよい。偏向促進レンズ７２１を透過した後、さらに偏位した半割光束は高分解能光検出器７３３Ａ，７３３ＢのスポットＤＳに合焦する。光検出器７３３Ａ，７３３Ｂは、上述した各種の光検出器のいずれかを有する。例えば、光検出器７３３Ａ，７３３Ｂは、側方効果光ダイオードである。
【００６５】
焦点検出装置７１０’Ａ，７１０’Ｂの２つの部分からのスポットＤＳＡ，ＤＳＢは、上述したように処理される対応信号を生成し、ΔＺおよびそれに伴う焦点ぼけを示す（図２〜図４に基づいて説明されるスポットＤＳＡ，ＤＳＢに対応する信号とそれに関する処理と同様である）。あるいは、光束分割プリズム７９０は、反射光束１３’を２つのサブ光束に分割し、そのうちの一つが光束分割面を真っ直ぐに透過するような従来の光束分割面（５０％の光を透過し、５０％の光を反射する面など）と交換されてもよい。上記の構成と類似あるいは同一の部材は、機能的に類似した焦点スポットＤＳＡ，ＤＳＢを検出器７３３Ａ，７３３Ｂに形成するために、透過光束を受光し、導くことができる別の位置に「再配置」することもできる。より一般的に言うと、所望の大きさ、正確性及び範囲を可能にする任意の単一範囲シャックハルトマン焦点検出装置を用いることができる。
【００６６】
図１３および図１４に示される本実施形態の焦点センサ８００は、必ずしも対物レンズ瞳Ｅが焦点検出部入射瞳Ｅ’に結像されるとは限らない構成の一例である。例えば、他の実施形態において、第２リレーレンズからサブ開口レンズ７２０Ａ，７２０Ｂまでの光路は、第２リレーレンズ７２７’の焦点距離ｆＲ２とほぼ等しく、入射開口Ｅ’までの光路距離は、１０ｍｍ短い。対物レンズ３０’の焦点距離ｆＯＢＪは約４０ｍｍであり、第１リレーレンズ７２６’の焦点距離ｆＲ１は約６０ｍｍである。出射開口Ｅから第１リレーレンズ７２６’までの距離ｄＥＲ１は、約ｄＥＲ１＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）＝（５５ｍｍ＋２６．５ｍｍ＋２６ｍｍ）＝１０７．５ｍｍである。よって、本実施形態においては、（ｄＥＲ１−ｆＲ１）＜１．２＊ｆＯＢＪであり、上記のような限定条件下で適切に制限されたレンズ構造が形成される。本実施形態は、前述した式１をほぼ満たす。
前述した各実施形態は、数多くの用途に適切であり、約１７ミクロンの被写界深度を有する２．５Ｘ対物レンズに対して約８ミリメータの焦点範囲を与える。あるいは、より一般的には、本文に記載する設計条件を満たす対物レンズに対して約４５０の「被写界深度」を有する焦点範囲を与える。これは、比較的大きな焦点検出範囲であるが、焦点検出部入射瞳Ｅ’に対物レンズ瞳Ｅを結像するための式１の条件を満たすようにｄＲ２Ｅ’，ｆＲ１，ｄＥＲ１の少なくとも何れかを構成するとより大きな効果を得ることができる。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明は、本明細書の開示に基づき、個々の構成および手順において上述の例示に種々の変形が可能であることは、当業者であれば容易に理解しうるところである。よって、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができることは当然である。
【符号の説明】
【００６８】
１０，１０’，１０”…照明光源
１３…照明光束
１３’，１３Ａ’，１３Ｂ’…反射光束
１５，１５’，１５”…コリメータレンズ
２０，２０’，２０”…光束分割面
２３…画像光
２５，２５’，２５”…光束分割面
３０…対物レンズ
４０…ワーク表面
５０…カメラ
１００，５００，７００，８００…焦点センサ
１１０，２１０，４１０…二重範囲焦点検出装置
１２０Ａ，１２０Ｂ，２２０Ａ，２２０Ｂ，６２０Ａ〜６２０Ｆ…高分解能サブ開口レンズ
１２５，２２５，４２５，６２５…広範囲サブ開口
１３０，２３０…光検出器アレイ
１３３Ａ，１３３Ｂ，２３３Ａ，２３３Ｂ，６３３Ａ〜６３３Ｆ…高分解能光検出器
１３５，２３５，４３５，６３５…広範囲光検出器
１５０，２５０…電力信号接続部
５２５，７２５，７２５’…リレーレンズ装置
５２６，５２７，７２６，７２７，７２６’，７２７’…リレーレンズ
６２０…サブ開口装置
６２５Ａ…光透過性サブ開口部
６２５Ｂ…周囲マスク
６３０，６３０Ａ〜６３０Ｆ…光検出器
７１０’Ａ，７１０’Ｂ…シャックハルトマン焦点検出装置
７２０Ａ，７２０Ｂ…サブ開口レンズ
７２１Ａ，７２１Ｂ…偏向促進レンズ
７３３Ａ，７３３Ｂ…光検出器
７４０，７４２，７４４，７４６Ａ，７４６Ｂ，７４９…回転ミラー
７９０…光束分割プリズム
【図１】
2010156670.tif 000004
【図２】
2010156670.tif 000005
【図３】
2010156670.tif 000006
【図４】
2010156670.tif 000007
【図５】
2010156670.tif 000008
【図６】
2010156670.tif 000009
【図７】
2010156670.tif 000010
【図８】
2010156670.tif 000011
【図９】
2010156670.tif 000012
【図１０】
2010156670.tif 000013
【図１１】
2010156670.tif 000014
【図１２】
2010156670.tif 000015
【図１３】
2010156670.tif 000016
【図１４】
2010156670.tif 000017