(57)【特許請求の範囲】
【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、又は受光光学系と前記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、
該光電変換素子は、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２次元状に配置された複数の画素領域を有し、
前記距離を変動させる駆動手段と、
各画素領域からの変換電気信号を２値化した２値化信号とし、前記第一及び第二の画素領域のうち前記変位方向において両第一、第二の画素領域の境界近傍に対応する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、前記変位方向において前記中心側の画素領域から離れた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、前記重み付けされた該第一の画素領域からの２値化信号と、前記重み付けされた該第二の画素領域からの２値化信号との差信号を求め、前記駆動手段によって前記距離が変動されて前記差信号がゼロとなるゼロクロス点の位置に対応する前記距離を求める信号処理部とを有することを特徴とする面位置検査装置。
【請求項２】
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値化信号に第三の重みを付け、同直交方向において周辺側の画素領域からの該２値化信号に該第三の重みより小さい第四の重みを付け、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。
【請求項３】
請求項１において、
前記駆動手段が前記距離において前記差信号に反比例の速度で駆動される部分を有することを特徴とする面位置検査装置。
【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】
0003941137.tif 000002
【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Ａｓmn, 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１２、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】
0003941137.tif 000003
【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
【図１】
0003941137.tif 000004
【図２】
0003941137.tif 000005
【図３】
0003941137.tif 000006
【図４】
0003941137.tif 000007
【図５】
0003941137.tif 000008
【図６】
0003941137.tif 000009