JP2010156670A - 焦点センサ - Google Patents
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Abstract
【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
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (35)
- 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。 - 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。
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