(57)【要約】【課題】精密寸法計測を実行する汎用機械視覚検査システムにおいて、突然の表面高さの段差、予測不可能なワーク表面特性、広範囲にわたるワーク表面高さ測定にも対応できる表面高さ検出方法および装置を提供すること。【解決手段】  照明焦点センサである波面センサ１６０が視準調整素子１３０と組み合わせて用いられ、照明焦点の高さとワーク表面１７０の検出位置の高さと合致するように表面高さ・焦点センサ１００を駆動する。これにより照明焦点センサからの出力はゼロとなる。ゼロ状態では視準調整量はワーク表面高さと直接関係し、その結果である高さ決定はワーク表面の光学特性に比較的影響されにくい。視準調整量は視準調整素子の制御信号によって決定される。視準調整センサが視準調整量を測定するのに用いることができる。【選択図】図１
2008233088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からのワーク照明ビームを、対物レンズを通してワーク表面の検出部位に照射することで、前記検出部位の前記対物レンズの光軸と略平行な検出方向に沿った位置を検出する表面高さ検出方法であって、
前記光源からの前記ワーク照明ビームに制御可能な視準を与え、
前記視準を有する前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズに入射させ、前記対物レンズから出射した前記ワーク照明ビームの光を、前記検出部位の近傍にある照明焦点に合焦させ、
合焦させた前記ワーク照明ビームの光を前記ワーク表面で反射させ、反射された前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズへ入射させ、前記対物レンズを通った光を焦点検出光線として照明焦点センサに入射させ、
前記照明焦点センサを操作して、前記照明焦点の前記検出方向の位置と前記検出部位の前記検出方向の位置との差に少なくとも部分的に依存する少なくとも一つの出力信号を出力させ、
前記照明焦点センサから、前記ワーク表面の前記検出部位の前記検出方向の位置と前記照明焦点の前記検出方向の位置とが略一致することを示す少なくとも一つの出力信号が得られるまで、前記ワーク照明ビームに与えられる前記視準を調整することにより、前記検出部位の前記検出方向の位置を検出することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面高さ検出方法において、前記視準を調整する工程は、前記ワーク照明ビームを制御可能な視準調整素子に入射させ、前記視準調整素子の調整によって前記視準を調整することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項３】
請求項２に記載の表面高さ検出方法において、前記焦点検出光線を前記照明焦点センサに入射させる前に、前記焦点検出光線を前記対物レンズから前記視準調整素子を通る逆経路に沿って導くことを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項４】
請求項２に記載の表面高さ検出方法において、前記ワーク表面の前記検出部位の位置を検出する操作は、前記検出部位の位置と略一致する前記照明焦点の位置に前記照明焦点センサからの少なくとも一つの出力信号が対応するときに、前記視準調整素子により与えられる前記視準の調整量を定性化することを含むことを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項５】
請求項４に記載の表面高さ検出方法において、前記視準の調整量は前記視準調整素子を制御する制御信号に基づき特性化されることを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項６】
請求項４に記載の表面高さ検出方法において、更に、
前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズに入射する前に前記調整された視準を有する前記ワーク照明ビームを分割し、
前記視準調整素子により与えられる前記視準の調整量により変化する、少なくとも一つの出力信号を出力する視準調整センサに対して、前記調整された視準を有する前記ワーク照明ビームの分割された一部を入射し、
前記視準の調整量が前記視準調整センサからの前記少なくとも一つの出力信号に基づき特性化されることを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項７】
請求項６に記載の表面高さ検出方法において、前記照明焦点センサ及び前記視準調整センサのうち少なくとも一つは波面センサを有することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項８】
請求項６に記載の表面高さ検出方法において、前記照明焦点センサ及び前記視準調整センサのうち少なくとも一つが軸方向焦点位置センサを有することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項９】
請求項２に記載の表面高さ検出方法において、前記視準調整素子の調整は、その他の点ではその名目上の位置を変えずに前記視準調整素子の部材を変形することで行われることを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の表面高さ検出方法において、前記視準調整素子は電気的に制御可能な可変焦点レンズを有することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の表面高さ検出方法において、前記照明焦点センサはシャック−ハートマンセンサを有することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の表面高さ検出方法において、
前記対物レンズは精密機械視覚検査システムにおけるワーク検査画像を供給するために用いられ、前記精密機械視覚検査システムは前記対物レンズ及びカメラを備える画像システムを有し、
前記ワーク表面の前記検出部位が前記画像システムの視野内に配置され、
少なくとも一つの精密機械視覚検査システム検査操作が、少なくとも部分的に前記検出位置に基づき実行され、前記少なくとも一つの検査操作がａ）前記ワーク表面の前記検出部位の高さ座標を決定する工程、およびｂ）前記画像システムが前記ワーク表面の前記検出部位の前記位置に合焦するように前記精密機械視覚検査システムを調整する工程のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の表面高さ検出方法において、
前記制御可能な視準を前記ワーク照明ビームに与える工程は、前記ワーク照明ビームを視準調整素子に入射する工程、及び前記視準調整素子を調整することで前記視準を調整する工程を含み、
前記ワーク表面の前記検出部位の高さ座標を決定する工程の少なくとも一つの例が前記工程ｂ）を実行せずに行われることを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の表面高さ検出方法において、前記ワーク表面の前記検出部位の前記位置に前記画像システムの焦点が合うように前記精密機械視覚検査システムを調整する工程の少なくとも一つの例が工程ａ）を実行せずに行われることを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１５】
光源からのワーク照明ビームを、対物レンズを通してワーク表面の検出部位に照射することで、前記検出部位の前記対物レンズの光軸と略平行な検出方向に沿った位置を検出する表面高さ検出方法であって、
前記光源からの前記ワーク照明ビームに一定の視準を与え、
前記視準を有する前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズに入射させ、前記対物レンズから出射した前記ワーク照明ビームの光を、前記検出部位の近傍にある照明焦点に合焦させ、
合焦させた前記ワーク照明ビームの光を前記ワーク表面で反射させ、反射された前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズへ入射させ、前記対物レンズを通った光を焦点検出光線として波面センサに入射させ、
前記波面センサを操作して、前記照明焦点の前記検出方向の位置と前記検出部位の前記検出方向の位置との差に少なくとも部分的に依存する少なくとも二つの検出器信号を出力させ、
前記波面センサからの前記二つの検出器信号に基づいて、前記検出部位の前記検出方向の位置を検出することを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の表面高さ検出方法において、
前記一定の視準を前記ワーク照明ビームに与える工程は、前記ワーク照明ビームを制御可能な視準調整素子に入射させ、及び前記視準調整素子の調整によって前記視準を調整することを含み、更に、
前記焦点検出光線を前記波面センサに入射させる前に、前記焦点検出光線を前記対物レンズから前記視準調整素子を通る逆経路に沿って導くことを特徴とする表面高さ検出方法。
【請求項１７】
光源からのワーク照明ビームを、対物レンズを通してワーク表面の検出部位に照射することで、前記検出部位の前記対物レンズの光軸と略平行な検出方向に沿った位置を検出する表面高さ検出装置であって、
ワーク照明ビームを出射する前記光源と、
前記ワーク照明ビームが入射され、調整された視準を有するワーク照明ビームを出射する制御可能な視準調整素子と、
前記調整された視準を有する前記ワーク照明ビームの光が入射され、前記検出部位の近傍にある照明焦点に合焦させるとともに、前記ワーク表面から反射されたワーク照明ビームの光を伝達して焦点検出光線を供給する前記対物レンズと、
前記焦点検出光線を受光し、前記照明焦点の前記検出方向の位置と前記検出部位の前記検出方向の位置との間の差に少なくとも部分的に依存する少なくとも一つの出力信号を出力する照明焦点センサと、
前記照明焦点センサからの少なくとも一つの出力信号に基づき前記検出部位の前記検出方向の位置を検出する操作を実行する信号処理制御部と、を有することを特徴とする表面高さ検出装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の表面高さ検出装置において、前記視準調整素子は、前記焦点検出光線を前記照明焦点センサに入射させる前に、前記対物レンズから前記視準調整素子を通る逆経路に沿って前記焦点検出光線を受光することを特徴とする表面高さ検出装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の表面高さ検出装置において、
更に、視準調整センサと、前記調整された視準を有する前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズに入射する前に分割し、分割された前記ワーク照明ビームの一部を前記視準調整センサに入射するように構成されたビームスプリッタと、を備え、
前記視準調整センサは、前記視準調整素子により与えられる前記視準の調整量によって変化する少なくとも一つの出力信号を出力し、
前記信号処理制御部は、前記照明焦点センサからの前記少なくとも一つの出力信号のゼロ状態に対応する値に基づき、前記検出部位の前記検出方向の位置を検出する操作を実行するものであり、前記ゼロ状態は前記検出部位の位置と略一致する前記照明焦点の位置に対応することを特徴とする表面高さ検出装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の表面高さ検出装置において、
前記信号処理制御部は、
前記視準調整素子を制御する信号を出力して、前記照明焦点センサからの前記少なくとも一つの出力信号が前記ゼロ状態を示すように所定の視準調整量を与え、
前記ゼロ状態に対応する前記所定の視準調整量の特性を前記視準調整センサの前記少なくとも一つの出力信号に基づき決定し、
前記ゼロ状態に対応する前記所定の視準調整量の前記特性に基づき前記検出部位の位置と基準位置との間の差を決定し、
前記ゼロ状態に対応する前記所定の視準調整量の前記特性と視準調整の基準量に対応する特性との間の差が、前記検出部位の前記位置と前記視準調整の基準量により与えられる照明焦点高さに対応する基準位置との間の差を示すことを特徴とする表面高さ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面高さ検出方法および装置に関し、詳細には機械視覚検査システムの一部としてワーク表面の高さ検出に用いることができる表面高さ検出方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、精密機械視覚検査システム（以下単に「視覚システム」ともいう）は、測定対象物の寸法を正確に測定し、対象物の様々な特性を検査するのに用いることができる。
このようなシステムは、コンピュータ、カメラ、光学系、検査対象となるワークの表面性状を走査できるようにカメラを複数方向へ移動可能な精密ステージを備えて構成される。
市販の先行技術システムの一例として、アメリカ合衆国イリノイ州オーロラにある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）シリーズあるいはQVPAK（登録商標）などのソフトウェアがある。
これらの視覚システム用ソフトウェアについては、その特徴および操作が非特許文献１あるいは非特許文献２などに概説されている。
これらの製品は、例えばQV-302 Proモデルに体現されるように、顕微鏡型光学系を用いて様々な倍率でワークの画像を提供することができ、また単一ビデオ画像の限界を超えてワーク表面を横切るように必要に応じてステージを動かすことができる。単一ビデオ画像は、所望の倍率、測定分解能およびこのシステムの物理的サイズ限界を前提として、観察または検査されるワークの一部のみを通常カバーする。
【０００３】
ところで、従来の機械視覚検査システムにおいては、表面高さを決定したいとき、または画像の焦点がずれているときに、システムが自動焦点処理を行うことがある。
従来の自動焦点処置では、例えば、既知の機械座標系に対するカメラ位置における一連の画像の取得、取得された各画像の画像焦点特性（画像コントラストなど）の算出、および既知の距離および焦点特性に基づく最適焦点位置の検出など、比較的時間のかかる処置を含む。焦点画像を提供するため、このシステムは所定の最適焦点位置に移動させられてもよい。また、最適画像焦点に対応するカメラと対象物との距離は、通常システム設計または較正に基づき明らかであるので、表面高さ測定は最適焦点位置から推測される。
さらに、機械視覚検査システムにおいて、最適焦点位置または表面高さを決定するために、画像に依らない焦点センサである予備焦点センサを用いることも周知である。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タイプの焦点センサが用いられてきた。しかし、このような予備焦点センサは、正反射面と乱反射面との双方で確実に働かない、解像能力に対する範囲が望ましくない、光学もしくは制御系が望ましくなく複雑である、方位分解能が欠如する、画像視界内で焦点が簡易に登録されない、などの欠点を呈してきた。 
【０００４】
ところで、望遠鏡システムで使用されてきた精密な自動焦点検出技術として、シャック−ハートマン（Shack-Hartmann）型波面センサが知られている。非特許文献３には、シャック−ハートマン型波面センサを利用した望遠鏡の自動焦点調整についての記載がある。
しかし、望遠鏡システムでのシャック−ハートマン型波面センサの使用に関する教示は、上記のような汎用機械視覚検査システムまたは予備センサに関する重要な問題にまで及ばない。特に、ワーク表面高さ測定、ワーク表面特性、視準されていない人工照明などに関する問題は、望遠鏡においては生じない。
【０００５】
一方、特許文献１には、シャック−ハートマン型の波面検出技術を用いた計測について記載されている。特許文献１において、シリコンウエハの表面など、完全な平面性からの表面の僅かな偏差を、表面から適当な照明を反射させて複数の小孔を含むシャック−ハートマン型波面センサに向けることにより測定してもよい。具体的には、ある配列に配置された複数の小型レンズが波面をサンプリングするのに用いられる。各小型レンズは対応する小孔を有する。結果として得られた光点の配列は（光線トレースを物理的に具現化するものとして解釈可能）検出器に合焦される。所定の小孔からの焦点位置は、小孔上の平均波面傾斜によって決まる。各サンプルの伝播方向または波面傾斜は、各小型レンズの名目上の位置からの焦点位置のずれを測定することにより決定される。波面センサ及び対象物は互いに対して平行移動され、対象物の複数の小領域で波面が測定される。当該小領域は少なくとも一領域で重なっていてもよい。測定された波面をつなぎ合わせて対象物の波面を形成する。続いて、波面あるいは表面の傾斜分析結果および/または比較表面高さ分析結果が複数の周知の方法で検出画像から再構築される。センサの分解能および感度は小型レンズの配列により決定される。
【０００６】
【特許文献１】米国特許6,184,974号公報
【非特許文献１】QVPAK 3D CNC視覚測定装置ユーザーガイド（QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide）2003年1月発行
【非特許文献２】QVPAK 3D CNC視覚測定装置ユーザーガイド（QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide）1996年9月発行の
【非特許文献３】英国国立宇宙センター（British National Space Centre）所轄の科学技術施設研究委員会（Science and Technology Facilities Council）が共同運営する合同天文学センター（Joint Astronomy Centre）のウェブサイト（http://www.jach.hawaii.edu/UKIRT/telescope/focus.html）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のシステムは、ウエハなどの表面平面度を正確に測定できる一方、汎用機械視覚検査システムにより実行される多くの焦点調節および測定操作で重要となる問題に触れない。特に、突然の表面高さの段差、予測不可能なワーク表面特性、広範囲にわたるワーク表面高さ測定などに関する問題が十分に述べられていない。
【０００８】
本発明の主な目的は、精密寸法計測を実行する汎用機械視覚検査システムにおいて、突然の表面高さの段差、予測不可能なワーク表面特性、広範囲にわたるワーク表面高さ測定にも対応できる表面高さ検出方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の高さ検出方法は、光源からのワーク照明ビームを、対物レンズを通してワーク表面の検出部位に照射することで、前記検出部位の前記対物レンズの光軸と略平行な検出方向に沿った位置を検出する表面高さ検出方法であって、前記光源からの前記ワーク照明ビームに制御可能な視準を与え、前記視準を有する前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズに入射させ、前記対物レンズから出射した前記ワーク照明ビームの光を、前記検出部位の近傍にある照明焦点に合焦させ、合焦させた前記ワーク照明ビームの光を前記ワーク表面で反射させ、反射された前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズへ入射させ、前記対物レンズを通った光を焦点検出光線として照明焦点センサに入射させ、前記照明焦点センサを操作して、前記照明焦点の前記検出方向の位置と前記検出部位の前記検出方向の位置との差に少なくとも部分的に依存する少なくとも一つの出力信号を出力させ、前記照明焦点センサから、前記ワーク表面の前記検出部位の前記検出方向の位置と前記照明焦点の前記検出方向の位置とが略一致することを示す少なくとも一つの出力信号が得られるまで、前記ワーク照明ビームに与えられる前記視準を調整することにより、前記検出部位の前記検出方向の位置を検出することを特徴とする。
【００１０】
本発明の高さ検出方法としては、光源からのワーク照明ビームを、対物レンズを通してワーク表面の検出部位に照射することで、前記検出部位の前記対物レンズの光軸と略平行な検出方向に沿った位置を検出する表面高さ検出方法であって、前記光源からの前記ワーク照明ビームに一定の視準を与え、前記視準を有する前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズに入射させ、前記対物レンズから出射した前記ワーク照明ビームの光を、前記検出部位の近傍にある照明焦点に合焦させ、合焦させた前記ワーク照明ビームの光を前記ワーク表面で反射させ、反射された前記ワーク照明ビームの光を前記対物レンズへ入射させ、前記対物レンズを通った光を焦点検出光線として波面センサに入射させ、前記波面センサを操作して、前記照明焦点の前記検出方向の位置と前記検出部位の前記検出方向の位置との差に少なくとも部分的に依存する少なくとも二つの検出器信号を出力させ、前記波面センサからの前記二つの検出器信号に基づいて、前記検出部位の前記検出方向の位置を検出することとしてもよい。
【００１１】
本発明の高さ検出装置は、光源からのワーク照明ビームを、対物レンズを通してワーク表面の検出部位に照射することで、前記検出部位の前記対物レンズの光軸と略平行な検出方向に沿った位置を検出する表面高さ検出装置であって、ワーク照明ビームを出射する前記光源と、前記ワーク照明ビームが入射され、調整された視準を有するワーク照明ビームを出射する制御可能な視準調整素子と、前記調整された視準を有する前記ワーク照明ビームの光が入射され、前記検出部位の近傍にある照明焦点に合焦させるとともに、前記ワーク表面から反射されたワーク照明ビームの光を伝達して焦点検出光線を供給する前記対物レンズと、前記焦点検出光線を受光し、前記照明焦点の前記検出方向の位置と前記検出部位の前記検出方向の位置との間の差に少なくとも部分的に依存する少なくとも一つの出力信号を供給する照明焦点センサと、前記照明焦点センサからの少なくとも一つの出力信号に基づき前記検出部位の前記検出方向の位置を検出する操作を実行する信号処理制御部と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明において、照明焦点センサは波面または視準センサ、もしくは軸方向焦点位置センサを有してよく、照明焦点高さの位置と照明焦点高さに最も近いワーク表面の一部の位置との間の差を検出するのに用いられる。本発明において、本技術が、照明焦点高さがワーク表面高さと合致するようにシステムを駆動する視準調整素子と組み合わせて用いられ、これにより照明焦点センサからの出力はゼロとなる。本発明において、検出システム構成要素またはワーク表面の名目上の位置を変えずになされてよい。ゼロ状態では視準調整量はワーク表面高さと直接関連し、その結果である表面高さ決定はワーク表面光学特性に比較的影響されにくい。検出システム構成要素またはワーク表面の名目上の位置を変えずに表面高さを決定することにより、比較的迅速な測定および/または焦点操作が実現されうる。本発明において、照明焦点センサはシャック−ハートマン型波面センサでよい。
【００１３】
本発明において、視準調整素子により与えられる調整量が（照明焦点高さの調整に対応し）焦点が合わせられた照明を受光するワーク表面の高さを示すのに用いられる。本発明において、調整量は視準調整素子のための制御信号に基づき決定される。あるいは、視準調整センサは波面または視準センサ、もしくは軸方向焦点位置センサを有してよく、視準調整量を測定するのに用いられる。照明焦点センサからのゼロ出力と対応する視準調整量を表面高さの目安として用いることにより（センサ出力の変化の測定が、測定される表面の表面特性に影響される場合があるのと対照的に）、測定される表面の表面特性に比較的システムが影響されにくいようになされる。つまり、高さ測定は、当該表面の正反射性、乱反射性などに関わらず一定である。本発明において、視準調整センサはシャック−ハートマン型波面センサであってよい。
【００１４】
本発明によって、対物レンズの光軸と略平行な方向に沿ったワーク表面の一部の位置を検出する表面高さ検出システムを操作する方法が提供される。
本発明の方法としては、ワーク照明ビームを光源から出射し、前記ワーク照明ビームに制御可能な程度の視準を与え、前記制御可能な程度の視準を有する前記ワーク照明ビームからの光を前記対物レンズに入射し、前記ワーク照明ビームからの前記光を前記対物レンズから出射し、前記ワーク表面の検出部位近傍の照明焦点高さに焦点を合わせ、前記ワーク表面から反射されたワーク照明ビーム光を前記対物レンズへ入射し、前記反射光を前記対物レンズを通して伝達して焦点検出光線を供給し、前記焦点検出光線を照明焦点センサに入射し、前記照明焦点センサを操作して、少なくとも部分的に対物レンズの前記光軸に略平行な前記方向に沿った前記照明焦点高さの位置と対物レンズの前記光軸と略平行な前記方向に沿った前記ワーク表面の前記検出部位の位置との差によって決まる前記入射焦点検出光線の特性に依存する少なくとも一つの出力信号を供給し、前記対物レンズの前記光軸に略平行な方向に沿った前記ワーク表面の前記検出部位の前記位置を検出し、前記ワーク表面の前記検出部位の前記位置を検出する前記操作は、前記照明焦点センサからの前記少なくとも一つの出力信号が前記ワーク表面の前記検出部位の前記位置とほぼ一致する前記照明焦点高さの前記位置に対応するまで前記ワーク照明ビームに与えられた前記制御可能な程度の視準を調整する工程を含んでもよい。
【００１５】
本発明の方法において、少なくとも照明焦点センサ及び視準調整センサの一つを操作する工程が、波面センサを操作して局地光線角度を対応する領域で入射光線の波面に沿ってサンプリングし、サンプリングされた局地光線角度に応じた対応する検出信号を供給する工程を有してもよい。単一の局地光線角度をサンプリングするとき、これに対応する検出信号および波面曲率の基準量に対応する基準信号値を含む関係は入射焦点検出光線の波面曲率の程度を示しうる。
本発明の方法において、少なくとも照明焦点センサ及び視準調整センサの一つを操作する工程が、波面センサを操作して少なくとも二つの局地光線角度を分かれた領域で入射光線の波面に沿ってサンプリングし、少なくとも二つの検出信号を供給し、この少なくとも二つの検出信号を含む関係が入射焦点検出光線の波面曲率の程度と一致する工程を有してもよい。 
本発明の方法において、ワーク表面の検出部位の位置を明示的もしくは黙示的に検出するのに前記方法を用いることができる。つまり、ワーク表面の検出部位の位置座標は、いくつかの基準系（明示的な位置検出）に関連して決定できる。他の実施形態では、ワーク表面の検出部位が照明焦点高さの位置などの特定の位置と一致すること（暗示的位置検出）が単に検出されてもよい。
【００１６】
本発明の方法は、精密機械視覚検査システムに含まれる検出システムにおいて実行される。いくつかの実施形態では、精密機械視覚検査システムが対物レンズ及びカメラを含む画像システムを有してよく、本発明による画像システムと表面高さおよび焦点検出システムとが同一の対物レンズを共有してよい。このような実施形態では、ワーク表面の検出部位は画像システムの視野内に配置されてよく、共有される対物レンズはワーク検査画像を供給するのに用いられてもよい。当然ながら、このような実施形態では、（約数ミリメートルの範囲にわたりミクロンまたはサブミクロン解像力レベルなどでの）直接表面高さ測定のため、または自動焦点処理の一環として機械視覚検査システムが当該位置に移動されるように最適焦点位置を示すため、または双方の目的のために本発明が適用されてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明に基づく表面高さ検出装置である表面高さ・焦点センサ１００の第１実施形態を示すブロック図である。
センサ１００は、照明光源１１０、コリメータレンズ１１５、ミラー１２０、ビームスプリッタ１２５、視準調整素子１３０、ビームスプリッタ１４０、対物レンズ１４５及び波面センサ１６０を有する。また、センサ１００に隣接して、カメラ１５０及びワーク表面１７０が設置されている。
【００１８】
対物レンズ１４５及びカメラ１５０は機械視覚検査システムに通常含まれる構成要素でもよく、表面高さ・焦点センサ１００は機械視覚検査システムに統合される。付随信号処理および制御システム（図示略）がセンサ１００に付随する、またはホストシステム（機械視覚検査システムなど）の一部として設けられ、以下に記載されるように様々な信号を処理、及び／または多様な制御操作を実行するようにしてもよい。
照明光源１１０はコリメータレンズ１１５を通り抜ける光を供給し、ミラー１２０によってビームスプリッタ１２５に向かって反射される照明ビームにある程度の視準を与える。当然ながら、照明光源１１０は任意の操作可能な放射波長を用いることができる。例えば、以下に詳述するように、不可視スペクトルで操作する、またさもなければストロボ構造により、カメラ１５０でのワーク表面の画像が従来の画像化および／または他の表面測定操作に影響しないようにするのが望ましい。
【００１９】
ミラー１２０からの照明ビームはビームスプリッタ１２５を通り抜けて視準調整素子１３０へ至る。以下に更に詳しく述べるように、視準調整素子１３０を用いて、照明ビームの視準調整を行ってもよく、波面センサ１６０の出力（出力信号）がゼロ（またはほぼゼロ）になるようシステムを駆動してもよい（すなわち照明焦点高さが表面高さと合致するとき）。
視準調整素子１３０は電気的に調整可能な可変焦点レンズであり、システム構成要素またはワーク表面１７０の相対位置を変える必要なくシステムをゼロ状態にすることができる。このような構成では、ワーク表面１７０の高さおよび／またはシステムに適した焦点を決めるための機械的位置調整が比較的遅い従前のシステムよりも、測定が迅速に行われる。
【００２０】
視準調整素子１３０としては、制御により調整可能な焦点距離を有する任意の装置を用いることができる。このような装置としては、米国特許出願11/386,846に記載されているものがある。このような可変焦点距離装置としては、ズームレンズ、またはエレクトロウェッティング技術（フランスのリヨンのVarioptic社から市販されるVariopticレンズ、またはオランダのアムステルダムのRoyal Philips Electronics社のPhilips Researchから市販されるFluidFocusレンズなど）、または圧力制御レンズ技術、または可変ミラー技術などに基づく制御可能レンズなどの可変焦点距離レンズを有してもよい。
あるいは、エレクトロウェッティング現象に基づく可変焦点距離レンズは、通常、濃度が合致する一方、異なる伝導度および屈折率を持ち、薄い絶縁層に覆われた金属基板上に被着する２つの密封非混合液体からなり、基板に電圧を印加することにより液体と液体との境界のメニスカスの曲率が変更でき、これによりレンズの焦点距離を変化させることができる。このようなレンズの一例が米国特許番号6,369,954（Berge and Peseux）に記載されている。圧力制御可変焦点距離レンズは表面の形状を物理的な圧力で変化させ、これによりレンズの焦点距離が変化する。このようなレンズが米国特許5,973,852（Task）及び米国特許3,161,718（De Luca）に記載されている。
【００２１】
さらに、可変ミラーまたはマイクロミラー配列などの可変焦点距離反射器を含む可変焦点距離光学アセンブリを用いてもよい。例えば、静電制御反射膜装置の原理とデザインが米国特許6,618,209（Nishioka et al.）に記載されている。他の例として、可変焦点距離反射器は圧力制御反射膜を有してもよい。圧力制御反射膜装置の原理とデザインが米国特許6,631,020（Paris and Rouannet）に記載されている。当選ながら、反射型可変焦点距離装置が視準調整素子１３０に用いられる場合、このような視準調整素子は複数の光学素子および比較的複雑な内部光路または図１に示される光路の変形物を有してよい。しかし、ここに開示される基本技術は、視準調整素子１３０として反射型可変焦点距離装置を用いる場合にも適用されてもよい。
【００２２】
図１において、照明ビームは、その照明ビームに対し望ましい視準が得られる視準調整量で視準調整素子１３０から出射される。この照明ビームはビームスプリッタ１４０により対物レンズ１４５に向けられ、ワーク表面１７０に近接する照明焦点高さに焦点が合わせられる。照明焦点高さは、視準調整素子１３０を通った後、一つには対物レンズ１４５により、また一つには照明ビームの視準の程度により決定される。操作時、制御ラインまたはバス１３５上の視準調整制御信号が視準調整素子１３０を駆動して当該焦点距離を変化させると、これにより以下に詳述されるようにワーク表面１７０に対する照明スポットの焦点高さが変化する。図１の構成に関し、ここに用いられる技法によると、視準調整素子１３０から出射される照明ビームが（図１に実線として表される射線により示されるように）視準するとき、照明焦点高さは名目上の位置Ｚ０にある。
【００２３】
ワーク表面から反射した照明光は対物レンズ１４５を通って回帰しビームスプリッタ１４０に到達する。対物レンズ１４５からの反射照明光の最初の部分は、ワーク表面１７０の従来の画像を供給するのに用いることができるその他の光と同様に、ビームスプリッタ１４０を通ってカメラ１５０に伝達され、ワーク表面１７０の画像が形成され、通常の画像化および測定操作を行うことができる。
このような画像には焦点を合わせた照明スポットが含まれてよく、表面１７０上のＸ−Ｙ位置がこの画像から決定されてよい。あるいは、焦点を合わせた照明スポットからの光が、カメラシステムに対して不可視もしくはカメラシステムからフィルターにかけられた光を使って、または照明スポットが消された時々にカメラ１５０を操作することによって、カメラ１５０で除かれることができる。対物レンズ１４５からの反射照明光の第２の部分は、表面高さおよび焦点検出の目的で操作可能であり、ビームスプリッタ１４０により視準調整素子１３０を通ってビームスプリッタ１２５に反射されて戻され、そこで反射され、図１の実施形態では波面センサ１６０である照明焦点センサに入射される。
【００２４】
通常、ここでいう波面センサは、入射光線の波面に沿った対応する箇所で少なくとも一つの局地光線角度をサンプリングし、サンプリングされた局地光線角度に依存する少なくとも一つの対応検出信号を供給するためのものとして説明することができる。一般に、入射光線の波面に沿って分かれた二つの各対応箇所で少なくとも二つの各局地光線角度をサンプリングし、サンプリングされた局地光線角度に依存する少なくとも二つの各検出信号を供給することが望ましい。少なくとも二つの検出信号を含む関係は入射焦点検出光線の波面曲率の程度に対応する。また、少なくとも二つの検出信号のそれぞれに存在する共通のモードエラーとして（波面曲率に対する）波面傾斜の影響が検出され拒絶されてもよい。
【００２５】
また、以下の二つの条件を満たす場合、入射光線の波面に沿った単一の固定位置地域で単一の局地光線角度をサンプリングして波面曲率の程度を示すことも可能である。第１の条件は、波面曲率の「基準量」に関連する基準信号が、入射光線の波面に沿った当該固定位置に関して知られていなければならないことである。第２の条件は、単一のサンプリング域からの単一の信号を用いるとき傾斜変化からは曲率変化が分からないため、入射光線の傾斜が一定でなければならないことである。これらの条件が満たされる場合、本発明による波面センサにおいて単一の検出器を用いることができる。このような場合、波面曲率の「基準量」に関連する基準信号は、本開示の他の箇所で参照されるゼロ信号および／またはゼロ条件に相応する。
【００２６】
波面センサ１６０はシャック−ハートマンセンサを含んでもよい。波面センサ１６０は、レンズＬ１、Ｌ２、及び光検出器１６２を信号および制御ライン１６５と共に含んでもよい。本実施形態においてレンズＬ１，Ｌ２はマイクロレンズである。レンズＬ１，Ｌ２はそれぞれがビームスプリッタ１２５から入射される光の焦点を合わせる。この入射光は図１の波面ＷＦにより略示される波面を有する。レンズＬ１，Ｌ２は、それぞれ検出スポットＤＳ１及びＤＳ２として光検出器１６２に現れる画像を生成する。
光検出器１６２は一対の側面影響光ダイオード（各検出スポットに対して一つ）を有してもよい。あるいは、光検出器１６２はカメラチップなどの光検出器アレイを有してもよい。
いずれの場合も、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２は光検出器１６２の表面に沿った基準位置ＲＰからそれぞれ距離ＳＮ１及びＳＮ２にある。距離ＳＮ１と距離ＳＮ２との間の差は距離ΔＳＮとする。当然ながら、基準位置ＲＰは任意に選択されてよく、この基準位置ＲＰから距離ＳＮ１及び距離ＳＮ２が測定される。基準位置ＲＰは光検出器１６２のエッジに伴って指定されてよい。また、当然ながら、光検出器１６２がアレイ検出器であれば、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２はそれぞれいくつかのピクセルをカバーし、この場合サブピクセル位置補間を行うことが可能な重心計算を行って、各検出スポットの位置を決定してもよい。
【００２７】
以下に更に詳しく述べるように、図１で波面ＷＦは平面であり、「焦点が合った」構造に相応し、照明焦点高さがワーク表面１７０の高さと合致することを意味する。
システムの焦点が正しくワーク表面に合う（照明焦点高さがワーク表面高さと合致する）とき、波面ＷＦは平坦で、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２は対応する各レンズの光軸と揃った名目上の位置ＳＮ１０及びＳＮ２０に現れ、差の測定結果は名目上の値ΔＳＮ０を持つ。つまり、本文の技法によれば、照明焦点高さがワーク表面高さに対応するとき、名目上の位置ＳＮ１０、ＳＮ２０及び差の測定結果ΔＳＮ０は検出スポットＤＳ１及びＤＳ２の位置に対応する。
【００２８】
図１はこの一例であり、ワーク表面高さＺＳ１は名目上の照明焦点高さＺ０と一致する。以下に更に詳しく述べるように、システムの焦点が表面に正確に合っていないとき（例えば、図１における高さＺＳ２で破線で示されるワーク表面により示されるように）、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２が名目上の位置ＳＮ１０及びＳＮ２０以外の位置ＳＮ１及びＳＮ２に現れる。視準調整素子１３０が調整され、照明焦点スポットをワーク表面と再び一致するよう移動させる量ΔＺ０により照明焦点高さが調整されるにつれて、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２は名目上の位置ＳＮ１０及びＳＮ２０に戻る。
波面センサ１６０の操作中、シャック−ハートマンセンサの使用に関して周知のように、波面Ｗｆが平面でない場合、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２は名目上の位置ＳＮ１０及びＳＮ２０以外で光検出器１６２上の位置ＳＮ１及びＳＮ２に現れる。通常、照明焦点高さがワーク表面１７０の高さから逸脱するとき、波面ＷＦは平面ではない。例えば、波面１６０の全体的な光軸は名目上レンズＬ１とレンズＬ２との中央に位置し、個々のレンズの光軸と平行である。この場合、距離ＳＮ１がＳＮ１０より小さく、距離ＳＮ２がＳＮ２０より大きく、これに対応する差の測定結果ΔＳＮがΔＳＮ０より大きければ、これがワーク表面１７０の高さより上の照明焦点高さと相当する。逆に、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２がより近くに現れ、差の測定結果ΔＳＮがΔＳＮ０より小さくなる場合、これはワーク表面高さより下の照明焦点高さに相当する。  
【００２９】
本発明において、差の測定結果ΔＳＮが名目上の値ΔＳＮ０と異なる場合、視準調整素子１３０はΔＳＮが名目上ΔＳＮ０と等しくなるように照明ビームの視準を調整するのに用いられ、これがワーク表面１７０の高さと合致する照明焦点高さに相当する。
例えば、図１を参照した上記構成に関し、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２が名目上の位置から離れた位置に現れるとき、視準調整素子１３０は電気的に調整され照明ビームの視準を変えてワーク表面１７０の高さに一致させるように照明焦点高さを上昇させる。逆に、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２が互いに名目上の位置より近くに現れるとき、視準調整素子１３０は電気的に調整され照明ビームの視準を変えてワーク表面１７０の高さに一致させるように照明焦点高さを降下させ、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２を名目上の位置に移動する。いずれの場合も、適切に焦点の合わせられた照明スポットから反射した光は対物レンズ１４５を通り視準調整素子１３０を通る逆向きの道に沿って戻り、コリメータレンズ１１５から発する光と名目上同程度の視準（ΔＳＮ０に相当する名目上一定の視準）で波面センサ１６０に入る。
【００３０】
コリメータレンズ１１５から発する光は名目上完全に視準され、平坦の波面である波面ＷＦに対応することが望ましい。コリメータレンズ１１５から発する光は僅かに発散または集光してよく、不完全な視準の結果としての影響は、波面センサ１６０において検出スポットＤＳ１及びＤＳ２を分析するのに用いられる較正および信号処理において処理することができる。しかし、説明を簡潔および明瞭にするため、今後コリメータレンズ１１５から生じる光は完全に視準されるものとし、照明焦点高さがワーク表面１７０の高さと合致するときの平面の波面ＷＦに相当するものとする。
【００３１】
このように、ΔＳＮ０に相当する出力を供給するため、名目上の位置Ｚ０から照明焦点高さが調整される量は、名目上の位置Ｚ０に対するワーク表面の現在の高さを表す。従って、視準調整の量およびこれに対応する照明焦点高さの調整量との関係が分かれば（例えばある実施形態では視準調整素子１３０に対する制御信号を測定することにより）、ワーク表面１７０の現在の高さを決定することができる。以下の式はワーク表面１７０の高さの測定方法の一例を示す。
図１に示されるように、ワークの表面の実際の高さは通常、値Ｚｓにより表される（特定事例Ｚｓ１及びＺｓ２が図１に示される）。修正されていない、または名目上の照明焦点高さは値Ｚ０により表される。様々な実施形態で検査カメラ１５０の画像焦点高さに合致するよう適切にこれを設定してもよい。照明焦点高さの変化は視準調整信号（ＣＡＳ）によりもたらされ、関数ΔＺ０（ＣＡＳ）により表される。この関数は、以下の式１による一般的な照明スポット焦点高さに関する。
【００３２】
（数１）
照明スポット焦点高さ＝Ｚ０＋ΔＺ０（ＣＡＳ）  （式１）
【００３３】
実際の表面高さと照明スポット焦点高さとの間の照明焦点偏差ＦＤは以下の式２により求められる。
【００３４】
（数２）
ＦＤ＝ＺＳ−（ΔＺ０＋ΔＺ０（ＣＡＳ））  （式２）
【００３５】
これは実際の表面高さから照明スポット焦点高さを引いたものに相当する。ＦＤ＝０、つまり、照明スポットの焦点が正しくワーク表面に合っている状態では、以下の式３となる。
【００３６】
（数３）
ＺＳ＝Ｚ０＋ΔＺ０（ＣＡＳ）  （式３）
【００３７】
図１に示されるように、入射ビームの光軸を中心とする検出スポット検出構造が対称構造であると仮定すれば、値ＳＮ１及びＳＮ２が以下の式４，式５により求められる。
【００３８】
（数４）
ＳＮ１＝ＳＮ１０＋ｆ（ＦＤ，ＳＰ）  （式４）
ＳＮ２＝ＳＮ２０−ｆ（ＦＤ，ＳＰ）  （式５）
【００３９】
これらの式では、ＦＤ＝０のとき、ＳＮ１及びＳＮ２は二つの検出レンズＬ１及びＬ２の背後での検出スポットＤＳ１及びＤＳ２の位置（重心の位置）に相当し、ＳＰがワーク表面１７０の光学表面特性（ＳＰ）を表す。
【００４０】
関数ｆは検出器上での検出スポットの位置を示し、照明焦点偏差ＦＤおよびワーク表面１７０の光学表面特性ＳＰによって決まるか、もしくはシステム全体の光学構造に関する設計要素により決まる。検出スポットＤＳ１及びＤＳ２におけるワーク表面１７０の光学表面特性ＳＰの影響を以下に詳述する。
上記の式に基づき、二つのレンズに対応する検出スポット位置間の名目上の距離からの偏差が以下の式６により求められる。
【００４１】
（数５）
ΔＳＮ＝ＳＮ１−ＳＮ２＝ΔＳＮ０＋２ｆ（ＦＤ，ＳＰ）  （式６）
【００４２】
ここで、ΔＳＮ０は、ワーク表面が照明焦点高さ（ＦＤ＝０）にあるとき、二つのレンズに対応する検出スポット位置間の距離である。図２について以下に更に詳しく述べるが、照明スポットの焦点が適切に合わせられているとき（すなわちＦＤ＝０）ワーク表面の表面特性ＳＰに関係なく、検出スポットＤＳ１（及び／またはＤＳ２）は名目上の位置にある（すなわちｆ（ＦＤ，ＳＰ）＝０）。よって、システムの焦点が合っているとき（ＦＤ＝０）、これに対応する状況ΔＳＮ＝ΔＳＮ０を生じさせる視準調整信号ＣＡＳの値からＺｓを推測できる。
【００４３】
図２は、図１の波面センサ１６０に関して、名目上の位置からの検出器スポット（ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｓｐｏｔ）の偏差を表すグラフ２００である。以下に詳しく述べるように、検出器スポットの偏差は照明焦点スポットとワーク表面との高さの違いとワーク表面の光学表面特性との双方によって変化する可能性がある。図２に示すように、名目上の位置ＳＮ０からの検出スポット偏差は照明焦点高さとワーク表面高さとの間の差（すなわち焦点偏差ＦＤ）に関連して描かれる。グラフ線２１０は第１型の光学表面特性ＳＰ（例えば滑らかな反射面）のワーク表面に対応し、グラフ線２２０は第２型の光学表面特性ＳＰ（例えば部分的に乱反射する、または粗い面）のワーク表面に対応する。
【００４４】
図２に示されるように、第１型の表面に対応する線２１０は、一般に所定の焦点偏差ＦＤに関し、第２型の光学表面に対応する線２２０よりも大きな検出スポット偏差を示す。
例えば、垂線２３０に対応する焦点偏差ＦＤの水準では、線２１０に関するデータポイントが線２２０に関するデータポイントよりも高くなるように示され、これにより第１型の光学表面に関する検出スポット偏差が第２型の光学表面のものより大きいことを示す。一例としては、第１型の表面が正反射性のワーク表面であるときこれが起こる可能性があり、検出器スポットに比較的よく焦点が合うようになる。これに対し、第２型の表面がより乱反射するワーク表面であるとき、検出器スポットは比較的不鮮明となり、所定の照明焦点偏差に関して検出された偏差（検出された重心位置など）は多少小さくなることがある。
図２はこのような性質を定性的に反映する。ワーク表面が乱反射するものであり、ワーク表面でぼやける照明の程度がひどいとき、検出器スポットは不鮮明となる可能性があり、その位置が正確に決定できない、あるいは、焦点が更にぼやけても検出器出力が著しく変化しなくなるような限定的なケースを考えると、この性質を理解しやすいかもしれない。
【００４５】
図２は本発明の重要な特徴の一つを示す。具体的には、異なる光学表面特性ＳＰ（正反射性、乱反射性など）を持つ表面では、焦点偏差と比べた検出スポット偏差の相違に応じてその曲線が異なることがあり、表面特性ＳＰの正確なタイプが分からない限り、単なる検出スポット偏差の測定では実際の照明焦点偏差が正確に示されない。
しかし、図２に示されるように、照明スポットの焦点がワーク表面高さに合っている場合、線２１０および線２２０により示される検出スポット偏差曲線同士が一致する。つまり、本発明による様々な実施形態において、表面特性に関係なく、検出器スポットがＳＮ０にあるとき、ワーク表面はＺ０にある。よって、本実施形態で、ワーク表面の高さを測定する基礎として、視準調整素子１３０がこの条件を満たすように調整されれば、その結果、得られる表面高さの測定結果は、名目上ワーク表面光学特性と独立である。
図３に関して以下に詳述するように、照明焦点高さを表面高さに合致させるのに必要とされる視準調整素子１３０における変化を測定することにより、名目上の位置Ｚ０に対する照明焦点高さにおける変化ΔＺ０が示される。よって、位置Ｚ０からのワーク表面偏差の測定結果としてこの同じ測定結果を用いることができ、上記のように、この測定結果は測定される表面の光学表面特性ＳＰと名目上無関係である。
【００４６】
図３は、変化する視準調整信号ＣＡＳに起因する照明焦点高さ調整を描く線３１０を示すグラフ３００である。
前述した式１に関して述べたように、焦点高さ調整ΔＺ０における変化は視準調整信号ＣＡＳの関数であり、関数ΔＺ０（ＣＡＳ）に対応する。本発明によると、デザインまたは較正などにより、線３１０が公知であれば、視準調整信号ＣＡＳをモニタすることで、焦点高さ調整ΔＺ０に関して正確な表示ができ、これは既に述べた原理によると測定される表面の実際の高さに対応する。
以上のような第１実施形態で、表面高さ・焦点センサ１００は、ΔＺ０とＣＡＳとの間の関係が一定となるようにデザインされてよく、ＣＡＳの値はΔＺ０が所望の測定分解能を示すのに充分な分解能に応じて決定できる。このような実施形態においては、視準調整信号ＣＡＳを測定することにより、所望の表面高さ測定を行うのに充分な精度が得られる。あるいは、視準調整量をより正確に測定するために、視準調整センサが用いられることがある。
【００４７】
［第２実施形態］
図４は、本発明に従って形成された表面高さ・焦点センサ４００の第２実施形態を示すブロック図である。
センサ４００は視準調整センサを有し、これは図４に示される実施形態では視準調整素子１３０により与えられる視準調整量を正確に検出することができる第２波面センサ４６０にあたる。
センサ４００の構成要素および操作は、特に以下の指定がない限り図１のセンサ１００の構成要素および操作と同様である。
図４に示されるように、センサ４００はビームスプリッタ４２５に加えて第２の波面センサ４６０を含む。照明ビームが視準調整素子１３０から出射されるとき、付加されたビームスプリッタ４２５によって光の一部が第２波面センサ４６０へ入射されるように導かれる点で、センサ４００の操作は図１のセンサ１００の操作とは異なる。それ以外の点では、波面センサ１６０の照明焦点スポットおよび検出スポットの基本操作は上記と同様である。
【００４８】
本実施形態で付加されたビームスプリッタ４２５及び波面センサ４６０へ入射する光は、視準調整素子１３０から直接来るため、受けられる照明ビームの当該部分は表面高さ、表面特性などの要因により影響されない。よって、照明焦点高さを表面高さに合致させる（ＦＤ＝０に相当）ため、視準調整素子１３０によりなされてきた視準調整量を正確に決定するのに利用可能である。
センサ４００では、測定中の表面の高さを判定するため、（センサ１００で用いられる）視準調整信号ＣＡＳの代わりに第２波面センサ４６０による正確な視準調整測定が行われる。この技術を用いて、ΔＺ０とＣＡＳとの関係が時間の経過の中で一定でない、または温度に影響されるなどの場合でも、（ミクロンまたはサブミクロン範囲などで）正確な表面高さ測定が行える。
【００４９】
図４の第２実施形態では、波面センサ４６０は既述の波面センサ１６０に類似するシャック−ハートマンセンサとして示され、レンズＬＡ１及びＬＡ２、データおよび制御ライン４６５を含む光検出器４６２を有する。光検出器４６２は、光検出器１６２に関して既述した任意の型のものでよい。一実施形態では、レンズＬＡ１及びＬＡ２はマイクロレンズでもよい。レンズＬＡ１及びＬＡ２はいずれもビームスプリッタ４２５から入射される光の焦点を合わせ、この入射光は図４に波面ＷＦＡにより図示される波面を有する。レンズＬＡ１及びＬＡ２は、光検出器４６２の表面に現れる検出スポットＤＳＡ１及びＤＳＡ２をそれぞれ与える画像を作り出す。基準位置ＲＰＡからの検出スポットＤＳＡ１の距離は距離ＳＣＡ１により示され、基準位置ＲＰＡからの検出スポットＤＳＡ２の距離は距離ＳＣＡ２により示される。距離ＳＣＡ１と距離ＳＣＡ２の間の差が距離ΔＳＣＡにより示される。
【００５０】
以下の記述においては、視準調整素子１３０から出射されるビームが完全に視準されるときの、２つの検出器レンズＬＡ１及びＬＡ２の背後の検出スポットＤＳＡ１及びＤＳＡ２の位置（すなわちこれらの重心位置）に対応する基準位置ＳＣＡ１０及びＳＣＡ２０を規定するのが便宜である。基準位置ＳＣＡ１と基準位置ＳＣＡ２との間の差がΔＳＣＡ０にされる。
しかし、当然ながら、通常、波面センサ４６０は視準調整素子１３０による調整を検出し、波面センサ４６０からの出力は基準値またはゼロ値にはない。つまり図４に示されるように、視準調整素子１３０による調整により、通常波面センサ４６０に入射される光が湾曲した波面ＷＦＡを有するようになる。シャック−ハートマンセンサ構造によると、図４に示されるように、湾曲した波面に起因する検出スポットＤＳＡ１及びＤＳＡ２はレンズＬＡ１及びＬＡ２の後方で中心に集まらない。特に、検出スポットＤＳＡ１及びＤＳＡ２の位置ＳＣＡ１及びＳＣＡ２の基準位置ＳＣＡ１及びＳＣＡ２からの偏差により、視準調整素子１３０による視準調整を正確に表すことができる。
【００５１】
当然ながら、視準調整信号ＣＡＳの変化とは反対に、波面センサ４６０の出力を用いることにより、平行軸が代わりに測定結果ΔＳＣＡにより示されうる場合を除き、図３のグラフ３００に類似する較正曲線が生成されうる。つまり、図４の表面高さ・焦点センサ４００に関し、波面センサ１６０からのゼロ出力で示されるように、照明スポットの焦点がワーク表面に合うように視準調整素子１３０が調整されている場合、ワーク表面の高さは検出スポットＤＳＡ１の位置と検出スポットＤＳＡ２の位置の間の差ΔＳＣＡの測定結果に基づき正確に決定できる。
センサ４００の操作に対応して、式１−６に類似する式を立てることが出来る。詳細には、第２波面センサ４６０に関し、２つのレンズＬＡ１及びＬＡ２に対応する検出スポットＤＳＡ１及びＤＳＡ２の位置が以下の式７，式８により求められる。
【００５２】
（数６）
ＳＣＡ１= ＳＣＡ１０+ ｋ（ＡＣＡ）  （式７）
ＳＣＡ２= ＳＣＡ２０- ｋ（ＡＣＡ）  （式８）
【００５３】
これらの式では、視準調整素子１３０から出射されるビームが視準するとき、ＳＣＡ１及びＳＣＡ２は２つの検出レンズＬＡ１及びＬＡ２の後ろでの検出スポットＤＳＡ１及びＤＳＡ２の位置（すなわちこれらの重心の位置）に相当する。関数ｋは、結果として生じるビームから検出されるように、視準調整素子１３０により与えられる実際の視準調整ＡＣＡの関数である。検出スポット位置ＳＣＡ１とＳＣＡ２との間の名目上の距離からの偏差が以下の式９により求められる。
【００５４】
（数７）
ΔＳＣＡ＝ＳＣＡ１−ＳＣＡ２＝ΔＳＣＡ０＋２ｋ（ＡＣＡ）  （式９）
【００５５】
関数ｋ（ＡＣＡ）が較正または分析により分かっている場合、所望であれば、実際の視準調整ＡＣＡはΔＳＣＡの決定値から容易に導出される。当然ながら、図２に示されるようなΔＺ０（ＣＡＳ）は、実際は視準調整信号ＣＡＳに起因する実際の視準調整（ＡＣＡ）の結果である。つまり、図２は、実際の視準調整ＡＣＡが視準調整信号ＣＡＳの一定した関数であることを暗に前提とする。そうでない場合、または視準調整信号ＣＡＳが適当な測定分解能を備えない場合、ΔＺ０は依然として実際の視準調整ＡＣＡによって決まり、（式９に示されるように）実際の視準調整ＡＣＡと直接対応する測定結果ΔＳＣＡから決定されてよい。
よって、式３に類似する方法で図４の構成が用いられるとき、またＦＤ＝０の状態に対し（波面センサ１６０でΔＳＮ＝ΔＳＮ０により示されるように）以下の式１０となる。
【００５６】
（数８）
ＺＳ＝Ｚ０＋ΔＺ０（ΔＳＣＡ）  （式１０）
【００５７】
当然ながら、本発明は複数の用途に利用されてよい。ワーク表面の高さの変動を（例えば約数ミリメートルの範囲にわたって）所望の精度および分解能（ミクロンまたはサブミクロンのレベルなど）で決定するために本発明を用いてもよい。あるいは、カメラが表面の鮮明な画像を得るための焦点操作をサポートするためにワーク表面に対してカメラを動かす基礎として高さ測定が用いられることがある。
波面センサにより達成可能な分解能のレベルに関し、より長い焦点距離のレンズを使用するとき、短い焦点距離のレンズを使用した場合よりも分解能が通常高くなる。しかし、短い焦点距離のレンズを使えばより広い操作範囲を得られる。当然ながら、これらの要因は波面センサのレンズ選択に影響し、本発明によると表面焦点または高さセンサに対して所望の範囲および/または分解能特性を与えることが出来る。
【００５８】
本実施形態では、波面センサ１６０と波面センサ４６０とが、視準調整素子１３０の光軸を含んでシステムの光軸に沿って整列する。しかし、当然ながらある程度のずれは許容される。例えば、波面センサはより一般的に構成または整列されてよく、湾曲した波面はゼロ出力として用いられる出力を供給する。あるいは、適当な較正またはΔＺ０と視準調整を示すように用いられる信号との間の関係の特性で適確に動作するシステムに関し、視準調整素子１３０へ入射される照明ビームは完全に視準される必要がないか、またはシステムの光軸上で完全に整列する必要がない。
本実施形態では対物レンズ１４５は色分散を有してもよく、この場合、赤外波長を用いて照明焦点スポットを与えるときの焦点位置は、従来のカメラ画像を提供する可視波長に好適な焦点位置と異なってよい。必要に応じて、焦点位置間の差を定性化し、表面高さ算出の動作制御用測定オフセット因子として扱ってよい。
【００５９】
本実施形態では、波面センサ１６０または波面センサ４６０のいずれかが上記以外の数のレンズを用いて操作されてよい。例えば、上記のように、波面センサにおける各レンズに付随する各検出スポットの位置は入射波面曲率に依存する。特定の一般的モードエラーに対するシステム感度を減らすこと、もしくは様々なタイプの較正またはエラー低減操作を行うことに関して、二つの検出スポット位置間の差を測定することは上記のように有効な可能性はあるが、本発明に必須ではない。よって、一つまたは全ての上記波面センサにおいて単一のレンズが用いられてよい。
本実施形態における波面センサ１６０及び波面センサ４６０の図示された構成は、本発明のひとつの例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
シャック−ハートマン型センサの代替的な構成として、入射波面はビームスプリッタまたはプリズムに向けられてよく、これにより入射波面は二つの分かれた光路（「Ｌ字型」または「Ｔ字型」構造など）に沿って二重化され、この分かれた光路に沿って二つのレンズが整列してよい。より一般的には、波面曲率を検出できるか、または所望の精度を持つ入射ビームの視準の程度に応じて出力を供給できる任意の波面センサが、波面センサ１６０，４６０の代わりに使用されてもよい。
【００６０】
前述した実施形態では一定の有用性を獲得するのに調整可能な視準素子が用いられる一方、このような素子が除かれた場合でも、記載の構成、特に精密機械視覚検査システムにおいて波面曲率センサを用いることにより一定の有用性をなお確保できる。いくつかの用途では、このような構成により照明焦点高さの位置とワーク表面の検出部位の位置との間の差を示す一つかそれ以上の信号がなお供給され、対物レンズ１４５を含む画像システムの焦点を合わせるため、またはワーク表面の検出部位の高さ座標を決定するための基礎として、このような差を用いることができる。波面曲率センサ信号偏差が特定のタイプの表面特性用に較正される場合、そのタイプの表面特性を有する表面に関する高さ座標は、少なくともゼロ状態周辺のある程度の測定範囲に関し、充分な精度でその出力から決定されてもよい。
【００６１】
［第３実施形態］
図５は、本発明に従って形成された表面高さ・焦点センサ５００の第３実施形態を示すブロック図である。
表面高さ・焦点センサ５００の操作は図１のセンサ１００の操作と類似し、同じように番号付けられた構成要素も類似または同一である。しかし、表面高さ・焦点センサ５００においては、照明焦点センサは図１の実施形態において用いられた波面センサ１６０に代わって軸方向焦点位置センサ５６０である。通常ここで言う軸方向焦点位置センサとは、焦点検出光線をレンズに入射し、ほぼ光軸に沿って配置される空間フィルタリング素子に対し光軸に沿って光線の焦点をレンズが合焦する位置に依存する信号を供給するものとして説明される。空間フィルタリング素子は、様々なタイプの軸方向焦点位置センサにおいて用いられるピンホールまたはナイフエッジなどであればよい。
【００６２】
図５に示す実施形態において、軸方向焦点位置センサ５６０は、レンズ５１０、ビームスプリッタ５１２、第１ピンホール孔５２０Ａおよび検出器５２５Ａ、及び第２ピンホール孔５２０Ｂおよび検出器５２５Ｂを有してよい差分信号型センサである。
操作時、レンズ５１０はビームスプリッタ１２５から照明焦点検出光線を入射し、ビームスプリッタ５１２に合焦した光線５１５として伝達し、ビームスプリッタ５１２はこれを第１および第２測定ビーム５１５Ａ及び５１５Ｂに分割する。図５に示されるように、第１孔５２０Ａはレンズ５１０の名目上の焦点距離より僅かに短いレンズ５１０への光路長を有する位置に配置されてよく、第２孔５２０Ｂは僅かに長い光路長を有するように配置されてよい。
【００６３】
よって、図５に示されるように、第２測定ビーム５１５Ｂの焦点がほぼ第２孔５２０Ｂに合っているとき、第２光検出器５２５Ｂは第２測定ビーム５１５Ｂの全エネルギーを受け、最大値を有する第２検出器信号を信号線５２６Ｂに出力する。このとき、第１測定ビーム５１５Ａの焦点位置は第１孔５２０Ａへの光路長を越えている。よって、第１孔５２０Ａは第１測定ビーム５１５Ａの一部を遮蔽し、第１光検出器５２５Ａは信号線５２６Ｂへの第２検出器信号よりも低い値を有する第１検出器信号を信号線５２６Ａへ出力する。一般的に、二つの検出器信号の間の差は、波面センサ１６０の信号に関する上述と同様に、照明焦点スポットとワーク表面との間の高さの差およびワーク表面の光学表面特性に応じて変化する。軸方向焦点位置センサ５６０からの信号に関して以下に図８を参照して詳述する。
【００６４】
［第４実施形態］
図６は、本発明に従って形成された表面高さ・焦点センサ６００の第４実施形態を示すブロック図である。
センサ６００の操作は図４のセンサ４００の操作と類似し、同じように番号付けられた構成要素も類似または同一である。しかし、表面高さ・焦点センサ６００においては、照明焦点センサは、図４の実施形態で用いられた波面センサ１６０に代わって、先に図５を参照して述べた軸方向焦点位置センサ５６０が用いられる。センサ６００の操作については、同様に構成された要素に関する既出の記述に基づき理解可能である。
【００６５】
［第５実施形態］
図７は、本発明に従って形成された表面高さ・焦点センサ７００の第５実施形態を示すブロック図である。
センサ７００の操作は図６のセンサ６００の操作と類似し、同じように番号付けられた構成要素も類似または同一である。しかし、表面高さ・焦点センサ７００は、独立型または付属型の表面高さ・焦点センサである。従って、センサ６００には含まれるカメラ１５０が除かれ、センサ６００でカメラ１５０へ同様に画像を供給した対物レンズ１４５の代わりに対物レンズ７４５を含む。
【００６６】
更に、視準調整センサは、図６の実施形態で用いられた波面センサ４６０に代わって軸方向焦点位置センサ７６０が用いられる。軸方向焦点位置センサ７６０の構成要素と操作とは図５の軸方向焦点位置センサ５６０のものと類似するが、異なるのは軸方向焦点位置センサ７６０からの差分出力信号が用いられ、図４の波面センサ４６０の出力に関して既に述べたのと同様の方法で、視準調整素子による視準調整の量を決める点である。
センサ７００は、電力、信号および制御バス７８１により様々な素子に接続される信号処理および制御ユニット７８０も有する。信号処理および制御ユニット７８０は様々な検出器信号を入力でき、かつ様々な制御信号を出力でき、既に述べた原理により表面高さまたは焦点位置情報を決定ないし出力できる。その他の点では、センサ７００の操作については同様に構成された要素に関する既出の記述に基づき理解されてよい。
【００６７】
照明焦点センサとして、波面センサまたは軸方向焦点位置センサのいずれか、もしくは視準調整センサを選択するかは具体的用途でのコスト及び性能制約に基づき決定されてよい。様々な実施形態において、波面センサは軸方向焦点位置センサよりも優れた領域性能／分解能を提供し、またはワーク表面特性や対物レンズの光軸に対するワーク表面傾斜に影響を受けにくい出力を提供できる。よって、制御可能な視準調整素子が含まれていなくとも、照明焦点センサとして波面センサを用いることが有用でありうる。しかし、本発明による様々な実施形態では、軸方向焦点位置センサにより適当な性能が実現できる。
【００６８】
図８は、軸方向焦点位置センサから出力される差分信号曲線８１０および８２０を表すグラフ８を示す。場合によって照明焦点スポットとワーク表面との高さの差が変化するので、曲線８１０，８２０のそれぞれが軸方向焦点位置センサ５６０の信号線５２６Ａ，５２６Ｂ上の第１および第２検出器信号間の差における偏差と対応させてもよい。曲線８１０，８２０は例えば、図２に関し既に述べたのと同様に、光学表面特性ＳＰ（正反射性、乱反射性など）が異なるために線８３０に対応する焦点偏差量などで異なる。
照明焦点高さがワーク表面１７０の高さと一致するときに信号線５２６Ａ，５２６Ｂの第１および第２検出器信号間の差がゼロ（ゼロ状態）となるように軸方向焦点位置センサ５６０の第１および第２孔５２０Ａ，５２０Ｂを配置するのが便利である。このような場合、図８に示すように、照明スポットがワーク表面高さで合焦したとき、線８１０，８２０により示される検出スポット偏差曲線同士が一致する。
【００６９】
従って、軸方向焦点位置センサが本発明による照明焦点センサとして用いられるとき、信号出力がゼロ状態に対応する場合、ワーク表面１７０の表面特性に関係なく、ワーク表面はＺ０である。よって、本実施形態において、ワーク表面の高さを測定するための基礎として視準調整素子１３０がこの条件を満たすように調整される。結果として得られる表面高さ測定結果は、名目上ワーク表面光学特性と独立である。図３に関して既に述べたように、照明焦点高さを表面高さに合致させるのに必要な視準調整素子１３０における変化の測定結果により、名目上の位置Ｚ０に対する照明焦点高さにおける変化ΔＺ０が示される。従って、この同一の測定結果が位置Ｚ０からのワーク表面偏差の測定結果として用いられ、この測定結果は上記のように測定される表面の光学表面特性ＳＰとは名目上独立である。
【００７０】
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、本明細書での開示に基づき、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、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は表面高さ検出方法および装置に関し、詳細には機械視覚検査システムの一部としてワーク表面の高さ検出に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】前記第１実施形態において波面センサから出力される信号を示すグラフである。
【図３】前記第１実施形態において視準調整素子の制御信号を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４実施形態を示すブロック図である。
【図７】本発明の第５実施形態を示すブロック図である。
【図８】本発明の変形例としてワーク表面の高さおよび表面特性の双方に従って変化する軸方向焦点位置センサから出力される差分信号を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１００，４００，５００，６００，７００…表面高さ検出器である表面高さ・焦点センサ、１１０…照明光源、１１５…コリメータレンズ、１２０…ミラー、１２５…ビームスプリッタ、１３０…視準調整素子、１３５…バス、１４０…ビームスプリッタ、１４５，７４５…対物レンズ、１５０…検査カメラ、１６０，４６０…照明焦点センサである波面センサ、１６２，４６２…光検出器、１６５，４６５…制御ライン、１７０…ワーク表面、４２５…ビームスプリッタ、５１０…レンズ、５１２…ビームスプリッタ、５１５…光線、５１５Ａ，５１５Ｂ…測定ビーム、５２０Ａ，５２０Ｂ…ピンホール孔、５２５Ａ，５２５Ｂ…光検出器、５２６Ａ，５２６Ｂ…信号線、５６０，７６０…軸方向焦点位置センサ、７８０…制御ユニット、７８１…制御バス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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