JPH01239404A - 対象物のエッジ検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は対象物検査技術に関し、部品及び対象物のエツ
ジの検出を、正確にかつ高繰り返し精度をもって行うた
めの光学的方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

部品又は対象物の寸法を図る上で重要な点は、正確にか
つ高繰り返し精度をもって、最適なエツジ又は表面を見
出すにある。多くの部品は接触に対し過敏であり、又動
きが速いため接触法による自動化処理には不適である。

低コストの手動操作の場合には、通常は接眼レンズに校
正用の交差線を設けた顕微鏡が使用される。オペレータ
ーはパーツのエツジの位置を判断し、寸法を読むために
、かがるエツジに交差線を合ゎせる。しかしかかる労働
集約的な方法はオペレーターの疲労を招き、又オペレー
ターごとのばらつきを被り易い。

公知の自動化測定法の中には、顕微鏡に連結されたビデ
オカメラを使用するものもある。電子［ヘアライン（ｈ
ａｉｒｌｉｎｅ）　Ｊ及びコンピュータ画像強化により
、オペレーターの測定操作が幇助されるが、オペレータ
ー抜きにエツジを検出することは通常はできない。また
エツジ検出能力を有するこのタイプのシステムは通常は
６２５万円（５万ＵＳドル）以上のコストがかかる上、
相当作動速度が遅く、通常はかかる能力が必要とされる
生産現場よりも計測研究所にその使用が限定される。

最近では、コンピュータ援用エンジニアリング（ＣＡＥ
）　、コンピュータ援用設計／製図（ＣＡＤＤ）　、コ
ンピュータ援用製造（ＣＡＭ）、コンピュータ援用検査
（ＣＡＩ）などを応用する自動制御に基づき、部品の設
計、製造及び検査を統合する傾向がある。多くの改良が
上記自動制御技術に加えられてきたが、最後のコンピュ
ータ援用検査（ＣＡＩ）に関しては、未だ改良が不十分
である。部品の自動計測が可能な座標測定装置（ＣＭＭ
ｓ）も、検査等のための研究所環境内においては有効な
手段であるが、その大きさとコストのために、生産工程
に組み入れるには不適である。この種の計測は、作業環
境を制御可能な計測研究所内で専ら行われるに過ぎず、
かかる研究所は一般に生産現場から離隔した位置に設置
されている。

自動化光学検査（ＡＯＩ）は、自動化生産工程における
中間検査に好適であり、かかる方法により、迅速に計測
パラメータの修正を行いながら、セットアツプ及び検査
の主観性を排除可能であり、結果的に短時間で高収率に
高精度の部品生産が可能である。ＡＯＩは光学的計測技
術であり、接触的計測技術ではないため、従来の計測技
術が被っていた速度と接近性の限界を克服可能であり、
例えば接触的計測技術では到底得られないような正確な
測定が可能となる。

これまでに多くの接触的計測技術ではない、光学的計測
技術のスキームが開示されている（例えば、米国特許第
４．４２２，７６３号、第４．３８４．１９５号、第４
，５８３，８５４号、第３，８７９．１３１号、第４．
２０１．４７６号、第３．８５６．４１２号、第４，２
７２．１９０号、第４．５９７，６６８号、第４，６２
４．５６３号及び第４゜４２７　、２９６号などを参照
のこと）。

光学的計測技術は高速かつ高精度の生産に好適であり、
金属部品、電子アセンブリ、半導体コンポーネントなど
のアラインメント、検査、トラッキングなどの生産技術
が必要とされる多くの製造分野に応用されている。例え
ば、前述の文献中に記載された計測顕微鏡は、一般に微
小かつ繊細な部品の検査又はアラインメントに利用され
る。この計測顕微鏡はしばしば「エンコーダ」を備え、
接眼レンズを通した交差線に関し、部品の位置を正確に
デイスプレー上に表示する。カメラ用ポートは通常は、
一般に検査工程においてオペレーターを幇助するための
ビデオカメラに取付けられ使用される。これらのカメラ
用ボートは標準化されているため、標準機種であれば、
後述のエツジ検出装置を含む、様々な付属品を支持可能
である。また電子産業分野においても、多くの計測及び
アラインメントが存在し、回路チップ及び回路板製造の
全工程にわたって採用されている。多くのこれらの技術
はビデオ検査装置を利用し、その精度は顕微鏡の視野及
びカメラ組合わせにより限界付けられる。さらに、生産
工程で使用されロボットアームに関しても、一般にエツ
ジの照合や、基準エツジ位置の計測が問題となる。ロボ
ットアームはシームに沿って溶着ビードを降ろすように
制御される場合もあり、さらにロボットアームが計測装
置と一体化され正確なパーツの計測を可能にする場合も
ある。かかる応用例においては、通常は対象物を通過す
る光からではなく、対象物から反射される光からエツジ
を検知する能力が必要とされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、本発明の課題は、正確かつ高繰り返し精度をも
って、対象物のエツジを検出することが可能な光学的方
法及び装置を提供するにある。さらに対象物を透過する
光に限定されず、対象物から反射される光によっても、
対象物のエツジを検出することが可能な光学的方法及び
装置を提供するにあり、また光源の種類に限定を受けな
い上記方法及び装置を提供するにあり、従ってまた構造
が筒便であり、経済的であり、また保存維持が容易に上
記方法及び装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明によれば、光のビー
ムの伝播を、主にその周囲において変化させるために、
そのビーム幅にわたって非均一な出力密度の分布を有す
るビームの経路に概ね直交する軸に沿って相対移動可能
に取付けられた対象物のエツジ検出方法において、変化
したビームの相対強さが、中心セクタの周りに周設され
た、少なくとも１対の周囲セクタ内で検出され、周囲セ
クタ及び中心セクタにより検出された、上記変化したビ
ームの強さを表示する出力が形成され、さらに上記出力
が選択的に組み合わされ、移動軸に沿ったビーム内の対
象物の位置の関数として変化する合成信号が供給される
ことを特徴とする対象物のエツジ検出方法及び、概ね中
心に関し対称で、中心にピークをおくような出力密度分
布を有する出力ビームを形成するソース手段を含み、さ
らに主にビームの周囲においてビームの伝播を変化させ
るために、ビームの経路に概ね直交する軸に沿って相対
移動させるように、対象物を支持する手段を含む、対象
物のエツジ検出装置において、中心セグメントと、上記
軸に沿って中心セグメントの両側に並べられた少なくも
１対の周辺セグメントとを有するディテクタであって、
このディテクタが、上記セグメント内で変化したビーム
の相対強さを検出し、上記各セグメントにより検出され
た変化したビームの強さを示す出力を形成するように配
設され、さらに上記出力を受信し、前記出力を選択的に
組合わせ、移動軸に沿ったビーム内の対象物の位置の関
数として変化する合成信号を形成する回路とを有するこ
とを特徴とする、対象物のエツジ検出装置が提供される
。

本発明の１つの態様によれば、特別仕様ビームを発生さ
せるためのレーザーと、顕微鏡型光学システムと、さら
に複数セグメントから成るディテクタとを備えた改良さ
れたエツジ検出方法及び装置が提供され、これにより、
デジタルシステムに通常は関連するデータビット間に補
間誤差を生じさせずに、正確かつ高繰り返し精度をもっ
て、部品又は対象物のエツジの位置決めが可能である。

上記レーザーは、検査感度を高くするために適切に制御
された区域に高集中の光を供給する。上記区域は、光学
システム内の対物レンズの倍率にかかわらず、視野の一
定割合を占める。すなわち、視野中のビームのスポット
サイズは対物レンズの倍率に依拠することはない。この
区域はまた、高倍率の場合に、ラフなエツジに対し「平
滑化」効果を有する。

対物レンズの倍率が増加するとともに、精度及び解像度
も増加し、サンプル上のレーザービームの照射領域は減
少する。レーザービームはその中央において最大出力又
は最大強さを示し、検査中のエツジがビームの中央を横
切ったときに、最大信号変化が示される。その単一波長
により、エツジ検知機の精度に影響を与えない程度の周
囲光によって、パーツ又は目標の観測が可能となる。本
発明に基づくディテクタは能動素子パターンを含み、こ
の能動素子パターンにより、サンプルの部品から光学シ
ステムを通って反射されたビーム位置を示す電子信号が
供給される。この能動素子パターンにより、レーザービ
ームの強さのプロフィルの最大使用ヲモって、反射エツ
ジの動きに対する感度が強化される。本発明においては
、ビームの寸法幅にわたってビーム出力を平均化してい
るため、ラフなエツジ及び表面の効果が平均化又は平滑
化される。水平又は垂直のエツジ条件が所定の信号限界
に適合したと検出された場合に、アナログエレクトロニ
クスにより、検出信号は仮想デジタル「オン／／オフ」
出力にデコードされる。ディテクタ及びエレクトロニク
スはＹ軸及びＹ軸に沿って、独立にかつ同時にエツジを
検出可能である。アナログ回路は計算上の制限を受けず
、１μｓ以下でエツジ検出が可能であり、１　ｍ／ｓ以
上のサンプル部品の動きにも対応可能な「高速」計測が
可能となる。本発明に基づく方法及び装置によれば、対
物レンズからサンプルパーツまでの距°離が変化した場
合にも対応可能であるが、エツジ検出解像と、対物レン
ズの倍率に依拠する焦点深さの間にはトレードオフが存
在する。「自動焦点」システムを採用すれば、最適な作
業距離を維持可能でありまた、近似計測能力の確保も可
能である。サンプル部品からの反射とエツジを超えた背
景との間のコント−ラストが限界以下に減少した場合に
は、コントラストが不十分である旨の指示が出て、オペ
レータに現在の条件では余り正確な計測ができないこと
を指摘する。

サンプル部品がラウンド状、ベベル状又はラフな面及び
エツジ上に載置され、エツジの形状寸法がレーザービー
ムの照射範囲の大部分を占めているような場合には問題
が生じる。かかるタイプのエツジと扱う場合には、オペ
レータには、対物レンズの倍率を下げ、ビームの照射ゾ
ーン内にエツジを収める旨の警告が発せられる。

（若干エツジ検出解析度及び繰り返し精度は犠牲になる
が。）もちろん、ビームのスポットサイズは従来の「ズ
ーム」型光学機器で変えることが可能である。本発明に
係る実施例においては、ビーム位置は固定され、サンプ
ル部品は光学システムの計測レンズの下周辺を動かされ
る。

このように正確に決定されたエツジ位置により、支持ス
テージの移動の関数として、エツジ間の距離、すなわち
計測がなされる。支持ステージに取付けられたエンコー
ダにより、検出されたエツジ間のサンプル部品の寸法指
示がなされる。

もちろん次々と感知されたサンプル部品は、明確な検出
のために、少なくとも１つのスポット寸法直径により分
離されるべきである。このようにして本発明は、エツジ
の正確な検出が要求されるような、検出システム又はプ
ロセス制御スキームの不可欠の要素を形成することがで
きる。

〔実施例〕

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施例について
詳述する。

第１図は本発明の実施例に基づく光学システムの絵図的
な概略図を示しているが、第１図において、サンプル部
品又は対象物９から反射されたレーザービームの一部は
光学センサー又はディテクタ４１によって受光される。

具体的には、連続波ヘリウム・ネオン・ガスレーザー１
３が配設され、レーザービーム１５をビーム形成レンズ
１６を通して光学ビームスプリッタ１７（例えば、半透
鏡面）に供給し、偏向させ、リレーレンズ１２及び対物
レンズ１４を通してサンプル９に向けられる。サンプル
部品９は支持ステージ１９上を、直交するＹ軸及びＹ軸
に沿って動かされる。従来設計の好適なエンコーダ（図
示せず）が支持ステージ１９に連結され、サンプル部品
９の一部のエツジの間をそれぞれの軸に沿って左右前後
に移動する、支持ステージ１９の動きが示される。

サンプル部品９から反射されたビームはビームスプリ・
νり１７、結像レンズ１８さらに透過フィルタ２０を通
ってディテクタ４１に到達する。透過フィルタ２０を挿
入することにより、レーザー１３の波長を有する光線の
みを透過させることが可能となる。リレーレンズ１２と
ビーム形成レンズ１６の組合わせにより、対物レンズ１
４の倍率いかんにかかわらず、視野の一定割合を占める
一定のスポットサイズが確保される。

レーザーからのビーム１５は、その全寸法幅にわたって
、第２図の曲線２１に示すような、ガウス出力密度又は
強さ分布を有している。この出力密度分布は曲線中央付
近の強さピークを境に概ね対称形状を示す。またレーザ
ービーム幅にわたる出力密度分布の集積値（異なる垂直
方向スケールを用いて、第２図において曲線２３として
示した）は、中央ピークにおいて最大変化率又は傾斜を
示す点が重要である。レーザービーム幅にわたる集積強
さ分布の最大変化率を利用することにより、本発明によ
れば、電子ノイズ、スイッチング遅れなどを、狭い範囲
２５内に限定し、ビーム中央付近の位置変化に対して感
度よく対応しながら、サンプル部品の正確なエツジ検出
が可能となる。すなわちレーザービームの中央付近の狭
い範囲２４に位置誤差を限定することが可能である。か
かるレーザービーム１５がサンプル部品のあるエツジに
照射された場合に、ビームの中央に置かれた当該サンプ
ル部分のエツジの両側において反射され又は透過された
ビームは、第３図のような強さ密度分布を示す。

具体的には、第３図の曲線２９はエツジ部分（少なくと
もレーザー直径よりも長いものとする）において反射さ
れ又は透過されたビームの強さ密度分布を示している。

さらに曲線２９に示す当該サンプル要素のエツジ部分の
最大強さの落差が、エツジ部分に現れるコントラスト比
とじて示される。サンプル要素のエツジがロール状、ラ
フ又は直線でないような場合には、当該エツジ部分のコ
ントラスト比は曲線２９のような非連続カーブを描かず
に、出力ビーク３３から反射又は透過が生じない基準レ
ベル３７に到るＸ軸に沿った間隔３３に示される比較的
広い領域において、高所及び低所それぞれに変曲点を有
する連続カーブを示す。このようにして、当該サンプル
要素のエツジがビームを通過する時に、エツジの両側に
おけるレーザービームの強さの差により、エツジ部分の
高いコントラストが示される。エツジの両側におけるレ
ーザービーム強さの差の勾配又は変化率が減少した場合
には、コントラスト比も減少する。広いレンジのコント
ラスト比（すなわち、広いレンジのエツジ条件）が操作
中許容される。レーザービームの中央領域の大部分は積
算出力密度の高い勾配を示す範囲なので（第２図の曲線
２３を参照）、レーザービームの中央はサンプル要素の
エツジを見出すために使用される。さらにエツジ部分の
出力密度の差は、エツジ部分にわたって高いコントラス
ト比が存在する場所では、大きな勾配又は変化率として
表される。

エツジがいかなる状態にあるか決定するために、ディテ
クタの示差信号は基準信号と比較される。この基準信号
は、種々の公知のアナログ、デジタル又はハイブリッド
「サンプル及びホールド（ｓａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｈｏ
ｌｄ）　Ｊ回路内に「捕獲（ｃａｐｔｕｒｅ）　Ｊする
ことが可能である。受入れ［窓（ｗｉｎｄｏｗ）　Ｊは
、サンプル要素から受入れられた信号が窓範囲内に収ま
った場合に、エツジの状態が発見されたと推測可能なよ
うに、基準レベルの部分を構成しうる。絶対レーザービ
ーム出力、サンプル部分表面の反射率及び電子ノイズ、
さらに焦点感度の深さといった可変条件により、平均値
以下のサンプルエツジを「基準」エツジとするような可
変条件が生じ、「基準」エツジとして使用するための平
均以下のサンプルエツジ内の小さな可変条件次第では、
固定基準によるエツジ検出がうまく行われない場合があ
る。かかる問題は、例えば反射信号の強さを変化させる
効果を伴うような基準を使用することにより克服可能で
ある。これがレーザービームに対するサンプルエツジの
「自己基準化Ｊ　（すなわち標準化）と称されるもので
あり、これにより、エツジ状態の範囲が浮動基準の一定
割合に保持される。

レーザービームは、その全幅にわたって概ねガウス出力
密度又は強さ分布を示す形状に構成され、かかる特徴は
、本発明によれば第４（ａ）図に示すようなビームディ
テクタを採用した場合に優れた効果を発揮する。このデ
ィテクタは幾つかの能動セグメントを有し、その能動セ
グメントはレーザービームの寸法に相対するパターンと
寸法を有している。具体的には、ディテクタ４１は、中
央能動セグメントＥ４３を有し、この中央能動セグメン
トは、空間的に積算された出力の概ね部分の−の状態を
満足させるレーザービームの直径５１と概ね等しい直径
を有している。レーザービームの出力密度分布のプロフ
ィル２１上の２分の１出力の寸法が第４（ａ）図に示さ
れる。その他の能動セグメントＡ４４、Ｂ４５、Ｃ４７
及びＤ４９は、レーザービーム５３の外径内に中央セグ
メントＥ４３を同心状に囲んでいる。対向する周辺セグ
メント（Ａ−Ｃ，Ｂ−Ｄ）はサンプル部分９の動きのＸ
軸及びＹ軸に対応するようにアラインメントされる。も
ちろん、これらの寸法は直接相関させることも可能であ
り、又は好適な光学的倍率によりスケールを拡大縮小す
ることも可能である。［焦点を外れた（ｏｕｔ−ｏｆ−
ｆｏｃｕｓ）　Ｊ状況下の反射されたビーム部分の出力
密度分布を第４（ｂ）図に示す。その場合中央セグメン
トＥ４３の直径は、前述の通り、２分の１出力直径時の
レーザービームの直径よりも小さく、かかる条件では後
述の理由によりエツジ感度も減少する。

エツジ条件が整う前に、視野の周りのディテクタセグメ
ントのいずれか１つでも、十分に照らされた場合には、
その結果生じる信号基準は有効基準レベルとなる。これ
により、Ｘ軸又はＹ軸に対してエツジがとる角度に依拠
する「エツジに対するインレンジ（ｊｎ　ｒａｎｇｅ　
ｔｏ　ｅｄｇｅ）　Ｊレベルが得られる。この（信号中
央セグメント）を有するスキームにより、正反対の外部
セグメントの間の差が中央セグメントからの信号を下げ
たり又はバイアスしたりするために使用される。これに
より、多くの［ゼロ交差（ｚｅｒ。

ｃｒｏｓｓｉｎｇ）　Ｊ技術を使用して、エツジ条件が
所定の範囲内に収まる時間を決定することができる。Ｘ
軸又はＹ軸に対して４５°に接近するエツジのためには
、視野の周りで４つよりも８つのセグメントが使用され
る。そして正反対のセグメント間の最大差がこの場合の
基準として使用される。

好適な実施例において、外部能動セグメントＡ４４、Ｂ
４５、Ｃ４７及びＤ４９は、中央セグメント已４３の周
りで象限を形成し、相対する対の部分が、サンプル要素
及びビームの相対運動の直交Ｘ軸及びＹ軸に対応するよ
うに、角度をもって配置される。ディテクタ４１に類似
するマルチ・セグメント・ディテクタが開示されている
（例えば、米国特許第３，４３５，２３２号）。第５（
ａ）ないしくｅ）図に記載されているように、支持ステ
ージ１９に支持され、ディテクタに相対して左から右に
Ｘ軸に沿って移動する反射サンプル部品９により、被検
出サンプル部分の右側エツジ５５がサンプル部品９から
の反射のためにディテクタの視野に入った場合に、まず
左側セグメントＤ４９が照らされる。もちろん透過モー
ドの場合にも、被検出エツジ５５は、左から右に移動し
最初に左側セグメントＤ４９を照らす部分が、サンプル
部品の左側部分であると見なされうる。

サンプル部品９はエツジ５５とともにＸ軸に沿って進む
ので、（従来のフォト対応型の）能動セグメントＤの照
射される領域は、反射されたレーザービームを受ける能
動セグメント部分の拡大につれて増加する信号を形成す
る。Ｘ軸に沿ってセグメントＤと並ぶ反対側セグメント
Ｂも同様に、後で反射されたレーザービームを受ける能
動領域として増加された出力信号を発する。

このようにして、第６図の曲線５７に示すように、セグ
メントＢ及びＤからの信号の総計が、セグメン）Ｄの全
領域がサンプル部分９から反射されたレーザービームに
より照射されるまで、Ｘ軸に沿ってサンプル部分９によ
り移動される距離に従い増加する。この様子を第５（ｂ
）図に示す。また第５（ｂ）図に示すようなサンプル部
分９の位置付近において、中央セグメントＥは反射され
たレーザービームを受は始め、第６図の曲線５９に示す
ような、出力信号を発する。この信号はセグメントＢ及
びＤからの信号の総計の逆出力と合わされて、水準６１
からゼロ交差に向かって増加する。セグメンｌ−Ｅから
の信号における信号利得又は、増量ファクターは、セグ
メントＡ又はＢ又はＣ又はＤからの信号における利得の
２倍とし、十分に照射されたセグメントＥの丁度２分の
１からの信号を確立することができ、十分に照射された
セグメントＤ（又はＢ〕からの信号に概ね等しくするこ
とができる。

その代替として、前述のように、能動セグメントの寸法
は、中央セグメントＥは総ビーム出力の３分の１又は十
分に照射された状態の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）の出力合計の
２分の１になるように選択することも可能である。従っ
て、第６図の曲線５９に示されるＥ−（Ｂ＋Ｄ）の出力
の組合わせは、セグメントＥｅｌ域を移動するエツジ５
５の距離に伴い、反射され検出されたレーザービーム出
力の（水準６１からの）総計に相当する。

エツジ５５がセグメントＥの中心に−する場合には、第
５（ｄ）図に示すように、セグメントＥからの信号はセ
グメントＤからの逆信号と等しくなり、エツジ５５によ
って移動させられた距離に応じた信号の変化率（勾配）
の最大部分において、ゼロ水準交差を提供する。セグメ
ントＢは検出可能コントラストを減少させることができ
る背景反射を送ることができ、これによりセグメンｌ−
Ｂ＋Ｄからの信号は、Ｘ軸方向に沿った基準条件として
使用される。公知の好適なゼロ交差検出回路が、ノイズ
信号の狭い範囲６３又はゼロレベル付近の選択された範
囲の信号内において、第５（ｄ）図に示すようなセグメ
ンｌ−Ｅの丁度中心位置におけるエツジ５５の正確な並
びを示すものとして、信号Ｅ−（Ｂ＋Ｄ）のゼロ交差上
の出力を生じさせるために使用される。

（いくつかの位置的不確定性６７は、ゼロレベル範囲６
３内で「ゼロコレベルを交差する曲線５９により表され
る信号の組合わせに関係している。

）第５（ｅ）図に示されるように、サンプル部品９のエ
ツジ５５がセグメントＥの中心を超えて移動した場合に
、セグメントＢが反射レーザービームを受け、セグメン
トＤからの信号と組み合わされた信号を提供するととも
に、第６図に示す曲線５７の合成信号（Ｂ＋Ｄ）は、レ
ベル７１から増加する。従ってエツジ５５の位置検出は
概ね対称的であり、エツジは、反射モードであろうと透
過モードであろうと、左から右へ又は右から左へ動く間
に検出される。さらに留意すべきは、Ｘ軸に沿ったエツ
ジ移動に関し上述したのと同様の分析が、セグメントＡ
及びＣによって形成されるラインに沿った上側から下側
へ又は下側から上側への動きに関しても提供される。

従って、同じディテクタ４１により、左又は右エツジと
同様に上側エツジ及び下側エツジを検出することが可能
である。１ｍｍのレーザービーム及び１０倍の光学レン
ズ及び１０倍の対物レンズを使用することにより、１μ
ｍの移動に対し本発明によれば、スポット直径の約１／
１０〜１／２０の位置感度が、エツジ検出感度を与える
。

第７図は、本発明に基づく操作を行うための回路のブロ
ック概略図である。増幅器８１〜８９がそれぞれディテ
タのセグメントＡ−Ｅからの信号を受信するために連結
される。第５図及び第６図との関連で述べた理由から、
増幅器８１〜８７の利得は所定の利得と等価に設定され
、増幅器８９の利得は所定の利得の２倍に設定される。

この代わりに、等しい利得を、十分に照らされた時に外
部セグメントの出力を中央セグメント内で２倍にまとめ
るような寸法を有するセグメントから伝送される信号に
対して供給することも可能である。増幅された信号は加
減増幅器９１の入力に供給され、選択された出力（Ａ＋
Ｃ）９３、（Ａ−Ｃ）９５、（Ｂ＋Ｄ）９７、（Ｂ−Ｄ
）９９及び（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）１０１が供給される。出
力９５及び９９はエツジ条件論理回路１０５に供給され
る。エツジ定位論理回路１０３はＸ基準信号１０４及び
Ｘ基準信号１０６を受信し、上部、下部、左側及び右側
エツジをそれぞれ指示する出力１０７．１０９．１１１
及び１１３を、下記の論理条件に基づき出力する。

（Ｂ−Ｄ）≧−Ｘ基準であれば、 ；左側エツジ出力１０７　　・・・（１）（Ｂ−Ｄ）≦
＋Ｘ基準であれば、 ；右側エツジ出力１０９　　・・・（２）（Ａ−Ｃ）≧
−Ｙ基準であれば〜 ；下部エツジ出力１１１　　・・・（３）（Ａ−Ｃ）≦
＋Ｙ基準であれば、 ：上部エツジ出力１１３　　・・・（４）エツジ条件論
理回路１０５は、エツジ定位論理回路１０３からの出力
１０７〜１１３を受信可能に接続され、さらにＸ限界入
力信号１１５及びＹ限界人力信号１１７、出力（Ａ＋Ｃ
）９３、出力（Ｂ＋Ｄ）及び増幅されたＥセグメント信
号８９を受信可能に接続され、以下に示す論理条件に基
づき操作される公知のアナログ論理回路を用い、Ｘエツ
ジ出力１１９及びＹエツジ出力１２１が出力される。

ΔＸ＝Ｅ−（Ｂ＋Ｄ）　　　　　　　　　　　・・・（
５）ΔＹ＝Ｅ−（Ａ十〇）　　　　　　　　　　・・・
（６）−Ｘ限界≦ΔＸ≦＋Ｘ限界であれば、 ｉＸエツジ出力１２１　　・・・（７）−Ｙ＠界≦ΔＹ
≦＋Ｙ限界であれば、 ；Ｙエツジ出力１１９　　・・・（８）インレンジ（ｉ
ｎ−ｒａｎｇｅ）論理回路１２３は、増幅されたＥセグ
メント信号及びＺ焦点入力信号１２５及び増幅器９１か
らの合計出力１０１を受信可能なように連結され、さら
に以下に示す論理条件に基づきインレンジ出力１２７を
出力するように操作される公知のアナログ論理回路を含
む。

Ｚ焦点＝Ｅの所定の割合　　　　　　　・・・（９）［
（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／２］−Ｅ≦Ｚ焦点であれば、；イ
ンレンジ出力１２７　　・・・００）第８図に操作条件
を示す。第８図中の曲線１２９は、ディテクタとソース
（又は反射部）間のＺ軸距離が変化した場合の、合計信
号１０１のレベル変化を示している。曲線１２９の信号
レベルの１／２の信号が曲線１３１としてプロットされ
ている。同様に、Ｚ軸距離の関数としてのＥセグメント
信号８９の変化が曲線１３３としてプロットされている
。曲線１２９．１３１及び１３３は、第４（ｂ）図に示
したように、ディテクタのセグメントＥを通りセグメン
トＡの範囲を超えるように分布する照度パターンのため
、中央区域に増幅のピークを示している。このようにし
て、弐〇〇より、（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）の合計値の２分の
１に−Ｅ値（曲線３５）を加えたものが、Ｚ焦点１３７
の選択信号値以下にある場合には、インレンジ出力が出
力され、第１図に示す光学システムが適切に位置し、サ
ンプル要素に関して焦点を結んでいることが示される。

またビームの焦点を合わせることが困難であったり、ビ
ームがリセス面から反射されるような場合や、サンプル
要素に関する情報が対象それ自体ではなく画像のみであ
る場合（例えば輪郭のコンパレータの場合）には、第９
図に示すように、白色光源１４０を用い、光反射材シー
ト１４２（例えば、ニオブ酸リチウムの光導性被膜）上
に対象の画像を映写し、エツジの画像が、光反射ガラス
１４２上の実反射エツジ１４４上に変換される。実反射
エツジ１４４により、（対象１３８に関し固定空間定位
に維持することが可能な）上記エツジが、上述の本発明
実施例に従いディテクタ上の中心に置かれる。本発明の
この操作モード時には、エツジの長距離感知、又はエツ
ジに関するレーザーの並びは、顕微鏡又はボアスコープ
により達成される。

前述のように、ディテクタの外形は、ビームの外周付近
の出力に関するレーザービーム中央付近にあるレーザー
ビーム出力量に対応しているので、本発明のディテクタ
の外形は、対象のエツジが対物レンズの焦点にどれだけ
接近しているかにより決定される。この操作モードにお
いては、焦点のビーム出力はビーム中央に集中するので
、これにより、正確な範囲でエツジ検出が可能なＺ焦点
基準条件に関する、光学システムの自動焦点化（Ｚ焦点
）を得ることができる。第８図に示すように、かかる条
件は、［（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）／２〕−Ｅ≦Ｚ焦点　・・
・ｑωを満たした場合に生じる。

前述のディテクタの幾何学的構造においては、直交する
Ｙ軸及びＹ軸に関し４５°を成すような反射エツジの定
位は、中心ディテクタ内出力に等しい周辺ディテクタ内
出力の不確実条件を生じさせる。この不確実さは、第１
０（ａ）図に示す本発明の一実施例のように、ディテク
タのセグメントの間に直交定位に配置されたスプリット
１４６を配設することにより、また第１０　（ｂ）図に
示す本発明の一実施例のように、ディテクタのセグメン
トを同心円状の標的パターンに形成することにより解決
される。第１０　（ａ）図に示すディテクタによれば、
レーザービーム内の総出力以下の出力を集めるので、例
えば表面ラフからばらまかれたノイズを拾いやすい。ま
た第１０　（ｂ）図に示すディテクタによれば、レーザ
ービームのほぼ全量が検出されるが、エツジ条件が整っ
た場合にも（第１０（ｃ）図中曲線１５４に示すような
）完全な綴部を形成しない。

さらに標的状ディテクタは、エツジ角度定位感知能を有
さず、さらに後述するような、エツジ検出時にエツジの
角度定位の自己基準化又は量化には不通である。なお第
１０（ａ）及び（ｂ）図において、Ｗは、ビーム強さが
弐〇〇に示すレベルに等しい場合のレーザービーム周り
の直径である。

１ｏ／ｅ”　　　　　　　　　　　　　・ＱＤここで、
Ｉｏは、はぼ中心部分の最大ビーム強さであり、ディテ
クタの外周はビーム幅Ｗの約３倍に設定される。

第１０（ａ）図の実施例のディテクタにおいて、中央セ
グメント１５０の直径はＷの約０．９０倍であり、中央
セグメントによって検出されるビーム出力は、セグメン
トＡ、Ｂ、Ｃ又はＤによって検出されるビーム出力総計
の２倍に等しい。第１０　（ｂ）図の実施例のディテク
タにおいて、内側セグメント１５２の直径はＷの１６１
８倍とされ、内側セグメン目５２により検出されたビー
ム出力は、外側セグメント１４８によって検出されたビ
ーム出力に等しく調整される。第１０（ｂ）図に示すデ
ィテクタによって検出されたビームの相対強さは第１０
（ｃ）図のグラフに示される。このディテクタによって
検出されたビーム強さの示差は第１０（ｄ）図のグラフ
に示される。このように、エツジがディテクタのＹ軸に
沿って進む場合にスプリット又は相対強さの差が生じる
原因は、レーザービーム出力（又は強さ）の分布が中央
にピークを有することにある。これによりエツジ感知回
路が単純化され、エツジ定位に関する情報が失われた場
合であっても、焦点条件を感知することが可能である。

さらに留意すべきは、上記実施例のディテクタは、周辺
境界が明確であれば、ビーム幅にわたり非均一の強さ分
布を有する光のビーム（例えば、シルクハツト状分布）
に好適に適用可能である。こうして、非ガウス出力分布
又はばらばらの分布を有するビーム源（レーザーダイオ
ードや光エミツタダイオード、さらに白色光源）であっ
ても、本発明によれば、良好なゼロ交差及びエツジ検出
反応を得ることが可能なのである。概ね均一な光強さ内
のゼロ交差点における、エツジ検出の誤差を回避するた
めに、さらに必要なことは、エツジの両側で検出された
光レベルの差が最小であることである。さもなければ、
各サンプル要素の反射率に応じて、絶対ゼロ交差範囲を
設定する必要が生じる。このようにして、例えば： ［（Ｂ−Ｄ）−（Ｃ＋Ａ）］≧±■基準　　・・・θり
又は ［（Ｂ−Ｄ）−（Ｃ−Ａ）］＞±■基準　　・・・０３
）である場合に、上記条件は、単に不規則な反応を示す
のではなく、重要なエツジに関するディテクタの左側／
右側又は上部／下部低を示している。さらにかかる条件
とゼロ交差とを利用することにより、エツジ検出を有効
なものとすることができる。

第１１図は、本発明に基づくディテクタの一実施例を示
しており、ここでも標的パターンの外部リングは、直交
するＹ軸及びＹ軸に沿ったギャップを挟んで、象限Ａ、
Ｂ、Ｃ及びＤのセグメントに別れている。この実施例に
おいても、エツジが非直交定位でディテクタを横切って
進んだ場合に、第１０（ｃ）図のグラフに示すように、
外部セグメントの合計の部分レベル１５４が形成される
。これに対しエツジが直交定位でディテクタを横切って
進んだ場合には、第１４図のグラフに示すように、Ｙ軸
又はＹ軸を横切るエッジ付近の外部セグメントの合計の
総合レベル１５６が形成される。本発明のこの実施例に
よれば、エツジの角度定位に関する情報を得ることがで
きると同時に、ノイズ（例えば、表面ラフ反射による）
に対する感度が小さいため、ゼロ交差信号内の全ビーム
出力を使用することが可能である。外部セグメント間の
ギャップは、上述の正確な操作と製造上の便宜を考慮す
れば、０．００５”　程度必要である。

エツジ感知条件において、効果的に検出されるエツジは
ディテクタ原点（０，０）を交差する。

セグメントＡが、ゼロ交差点において部分的にのみ照ら
されているいるような場合には、セグメンｌ−Ｄは照ら
されていない状態（「ダークＪ状態）又はある「ダーク
コレベルのスレッシボルド値以下である必要があり、セ
グメントＥは正確に１／２だけ（すなわち、エツジ感知
解像度）照らされている必要がある。

Ａ／　（Ｅ／２）＝２Ａ／Ｅ　　　　　・・・０滲の条
件を満たす場合は、９０度の角度象限を有することにな
る。従って、この値に９０を乗じることにより角度割合
を得ることができる。もちろん、同様にして、４つの象
限それぞれについて角度エツジ定位を感知することがで
きる。この角度情報にとって、ビームは回転対象的であ
る必要があり、第１２図に示すように、エツジが現れた
象限内の第１の外部セグメントが確認される。その後、
エツジ条件下でそのような外部エレメントが照らされる
ような、中央セグメントＥの２分の１の反応により、以
下に示す、エツジの角度定位に関する必要情報が提供さ
れる。

かかる場合に、Ａを通る角度は、式（１０）により得ら
れる。すなわち、 ここで「ｒ」は、セグメントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤの内側縁
から外側縁にかけての半径であり、「工。」は、最大ビ
ーム強さであり、さらにＷは、前述の通りビーム幅であ
る。

上記要件及びエツジがある象限にあるという条件が与え
られた場合に、その上限から反時計回り方向にある次の
象限にある輝度レベルは、エツジと並んでいないため、
最小となる。もちろん他の象限に関するエツジの方向の
角度も同様に決定可能である。

エツジ決定のための操作条件を次の第２表に示す。

第　　　２　　　表 〔発明の効果〕 以上の説明から明らかであるが、本発明は上述のような
構成を有しているため、以下のような優れた効果を有す
る。

上述の本発明実施例のエツジ検出システムは、レーザー
ビーム幅にわたる光強さ又は出力密度のガウス分布に依
拠しており、それによりレーザービーム内のサンプル部
品のエツジ位置を指示するアナログ信号の正確な電算機
処理が確保される。複数セグメントから成るディテクタ
からの信号の単純な電算機処理及び論理解析により、反
射モードにしろ透過モードにしろ、ディテクタと提携し
たレーザービームをサンプル部品が通過した場合に高い
位置精度をもって、上記サンプル部品の右側又は左側、
上部又は下部エツジに関する正確な表示が得られる。サ
ンプル部品のエツジ幅にわたる高いコントラスト比によ
り、レーザービーム幅にわたる位置変化に対する大きな
感度が提供されるため、高い繰り返し精度及び正確なエ
ツジ位置表示を得ることができる。

また本発明によれば、光源としてビームに限らず、レー
ザーダイオードや光エミツタダイオード、さらに白色光
源を使用しても、良好なゼロ交差及びエツジ検出反応を
得ることが可能であり、さらにエツジの角度定位に関す
る情報を得ることもできある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例に基づく光学システムの絵図的
概略図であり、 第２図は、レーザービームの直径を横切る強さ又は出力
のガウス分布を示すグラフであり、第３図は、不連続の
エツジ又は表面付近で反射されたレーザービームの強さ
又は出力の分布を示すグラフであり、 第４（ａ）及び（ｂ）図は、本発明に基づくディテクタ
の実施例における、能動セグメントパターンの絵図的概
略図であり、 第５（ａ）ないしくｅ）図は、連続的反射部分又は対象
物のエツジに空間的に関連するディテクタの様子を示し
た図であり、 第６図は、第５（ａ）ないしくｅ）図に示された光学条
件に関連する信号条件を示したグラフであり、 第７図は、サンプル部品のエツジを検出するための、本
発明実施例に基づ（回路のブロック図であり、 第８図は、第７図に示す回路を操作した場合の信号条件
を示すグラフであり、 第９図は、本発明に基づ（サンプル部品の画像から反射
エツジを形成するための装置を示す絵図的概略図であり
、 第１０（ａ）及び（ｂ）図は、本発明に基づくディテク
タの他の実施例であり、第１０（ｃ）及び（ｄ）図は、
第１０（ｂ）図のディテクタによって探査されたビーム
強さを示すグラフであり、 第１１（ａ）図は、移動するエツジが横切るディテクタ
の実施例を示し、第１Ｈｂ）図は、本発明に基づく第１
Ｈａ）図のディテクタを操作した場合の信号条件を示す
グラフであり、 第１２図は、ディテクタの外部セグメントが内設された
象限の定位を示す概略図であり、第１３図（ａ）及び（
ｂ）図は、様々な位置の移動反射エツジを示す、本発明
に基づくディテクタの概略図であり、 第１４図は、直交方向に定位されたエツジが横切る、第
１３図のディテクタの操作時の信号条件を示すグラフで
あり、さらに 第１５図は、第１３（ａ）ないしくｅ）図に示した条件
下にディテクタを操作した場合の信号条件を示すグラフ
である。 ９・・・サンプル部品又は対象物、 １２・・・リレーレンズ、 １３・・・レーザー、 １４・・・対物レンズ、 １５・・・レーザービーム、 １６・・・ビーム形成レンズ、 １７・・・ビームスプリッタ、 １９・・・指示ステージ、 ２０・・・フィルタ、 ４１・・・ディテクタ、 ４３・・・中心セグメント、　。 ４４．４５．４７．４９・・・周辺セグメント、５５・
・・エツジ、 ８１．８３．８５．８７．８９・・・増幅器、９１・・
・加減増幅器、 １０３・・・エツジ定位論理回路、 １０５・・・エツジ条件論理回路、 １２３・・・インレンジ論理回路、 １３８・・・エツジ、 １４２・・・光反射クリスタル、 １４４・・・反射えっじ、 １４６・・・スプリット、 １４８・・・外側セグメント、 １５２・・・内側セグメント、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光のビームの伝播を、主にその周囲において変化さ
   せるために、そのビーム幅にわたって非均一な出力密度
   の分布を有するビームの経路に概ね直交する軸に沿って
   相対移動可能に取付けられた対象物のエッジ検出方法に
   おいて、 変化したビームの相対強さが、中心セクタの周りに周設
   された、少なくとも１対の周囲セクタ内で検出され、周
   囲セクタ及び中心セクタにより検出された、上記変化し
   たビームの強さを表示する出力が形成され、さらに 上記出力が選択的に組み合わされ、移動軸に沿ったビー
   ム内の対象物の位置の関数として変化する合成信号が供
   給されることを特徴とする対象物のエッジ検出方法。 ２　反射された、上記変化したビームの位置が、上記周
   囲セクタ及び中心セクタ内で検出されることを特徴とす
   る請求項１に記載の方法。 ３　対象物を通して透過された、上記ビームの位置が、
   上記周囲セクタ及び中心セクタ内で検出されることを特
   徴とする請求項１に記載の方法。 ４　上記ビームの位置が、中心セクタの周りの少なくと
   も４つの周辺セクタにおいて、対象物の相対移動軸と概
   ね合わせられた直交座標を囲む直交象限内において、検
   出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ５　周辺セクタからの上記出力が選択的に組み合わされ
   、中心セクタからの出力と比較され、ビーム内の対象物
   のエッジ位置を指示することを特徴とする請求項４に記
   載の方法。６　概ね全ビーム出力が、ビームの周辺セク
   タ及び中心セクタ内において検出され、さらに周囲セク
   タからの代表出力が合計され、中心セクタからの代表出
   力から減じられ、ゼロ値を通過する結果信号の変化に応
   じて、対象物のエッジ位置を表す出力を形成することを
   特徴とする請求項４に記載の方法。 ７　４つの周辺セクタの外のり寸法が、ビーム強さが最
   大ビーム強さの約１／ｅ＾２に減少した位置におけるビ
   ーム周りの寸法の約三倍に等しいことを特徴とする請求
   項４に記載の方法。 ８　中心セクタの寸法が、ビーム強さが最大ビーム強さ
   の約１／ｅ＾２に減少した位置におけるビーム周りの寸
   法の約０．９〜１．２に概ね等しいことを特徴とする請
   求項７に記載の方法。 ９　周辺セクタからの代表出力の合計が、中心セクタか
   らの代表出力と組み合わされ、周辺セクタからの代表出
   力合計が中心セクタからの代表出力と概ね等しくなる、
   エッジ検出条件が形成され、さらに 上記エッジ検出条件における、直径方向に配置する周辺
   セクタからの代表出力の相対値が比較され、それにより
   直交象限の軸に関する検出エッジの角度方向の指示が形
   成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 １０　ビームの１対の周辺セクタを代表する出力が、選
   択された利得に概ね等しく増幅され、その後組み合わさ
   れ、 ビームの中心セクタを代表する出力が、上記選択された
   利得の概ね二倍に増幅され、 上記ビームの１対の周辺セクタの増幅され、その後組み
   合わされた出力が、上記ビームの中心セクタの増幅され
   た出力から減じられ、基準値と比較するための結果信号
   が形成され、それにより、 ビームに沿った対象物の位置範囲内で操作の出力表示が
   形成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。 １１　中心セクタで検出されたビーム出力が、総ビーム
   出力の約１／３に等しく、それぞれの周辺セクタ内で検
   出されたビーム出力が、中心セクタで検出されたビーム
   出力の約１／２に等しいことを特徴とする請求項１〜１
   ０のいずれか１項に記載の方法。 １２　出力が、軸に沿って中心セクタの両側に配列する
   １対の周辺セクタの出力間の最大示差条件に応じて形成
   され、さらに中心セクタからの出力から減じられた、周
   辺セクタの組合わせ出力が、概ねゼロ値を示すことを特
   徴とする、請求項４に記載の方法。 １３　概ね中心に関し対称で、中心にピークをおくよう
   な出力密度分布を有する出力ビームを形成するソース手
   段を含み、さらに主にビームの周囲においてビームの伝
   播を変化させるために、ビームの経路に概ね直交する軸
   に沿って相対移動させるように、対象物を支持する手段
   を含む、対象物のエッジ検出装置において、 中心セグメントと、上記軸に沿って中心セグメントの両
   側に並べられた少なくも１対の周辺セグメントとを有す
   るディテクタであって、このディテクタが、上記セグメ
   ント内で変化したビームの相対強さを検出し、上記各セ
   グメントにより検出された変化したビームの強さを示す
   出力を形成するように配設され、さらに 上記出力を受信し、前記出力を選択的に組合わせ、移動
   軸に沿ったビーム内の対象物の位置の関数として変化す
   る合成信号を形成する回路とを有することを特徴とする
   、対象物のエッジ検出装置。 １４　上記ディテクタが、対象によって反射された、上
   記変化したビームの位置を検出するように配設されたこ
   とを特徴とする請求項１３に記載の装置。 １５　上記ディテクタが、対象通して透過された、上記
   変化したビームの位置を検出するように配設されたこと
   を特徴とする請求項１３に記載の装置。 １６　上記合成信号を受信し、ビーム内で軸に沿った対
   象物のエッジ位置の指示として、選択された基準値に対
   して所定の関係を得た合成信号に応じて、出力を形成す
   るように連結された論理回路をさらに含むことを特徴と
   する請求項１３に記載の装置。 １７　上記ディテクタが、中心セグメントの周りに少な
   くとも４つの周辺セグメントを含み、上記４つの周辺セ
   グメントは、対象物の相対運動の軸に概ね合うように、
   上記中心セグメントを挟んで相対し、対を形成するよう
   に配設され、さらに 上記各セグメントが、検出された総ビーム出力を示す出
   力を形成し、概ね全ビーム出力が周辺セグメント及び中
   心セグメントにおいて検出されることを特徴とする請求
   項１３に記載の装置。 １８　上記回路及び上記論理回路が、周辺セグメントか
   らの出力の合計を、中心セグメントからの出力から減じ
   、ビーム内での対象物の位置を示す概ねゼロ値を得る結
   果信号に呼応する出力を形成することを特徴とする請求
   項１６に記載の装置。 １９　上記回路が、選択された利得分だけ上記各周辺セ
   グメントの出力を増幅し、上記選択された利得の約二倍
   分だけ上記中心セグメントの出力を増幅し、そして上記
   周辺セグメントの増幅された出力が、その後組み合わさ
   れ、この組合わせを、上記中心セグメントの増幅された
   出力から減じ、ビーム内での対象位置の関数として変化
   する合成信号を形成し、さらに 論理回路が、概ねゼロ値を得る上記合成信号に呼応して
   出力を形成することを特徴とする請求項１６に記載の装
   置。 ２０　ディテクタの上記中心セグメントが、総ビーム出
   力の約１／３を検出する寸法を有し、上記各周辺セグメ
   ントが、中心セグメントにより検出されたビーム出力の
   約１／２を検出する寸法を有していることを特徴とする
   請求項１７に記載の装置。 ２１　ディテクタの上記４つの周辺セグメントの外のり
   寸法が、ビーム強さが最大ビーム強さの約１／ｅ＾２に
   減少した位置におけるビーム周りの寸法の約三倍に等し
   いことを特徴とする請求項１７に記載の装置。 ２２　ディテクタの上記中心セグメントの寸法が、ビー
   ム強さが最大ビーム強さの約１／ｅ＾２に減少した位置
   におけるビーム周りの寸法の約０．９〜１．２倍に等し
   いことを特徴とする請求項１７に記載の装置。 ２３　上記回路が、少なくとも２つの相対する周辺セグ
   メントからの出力の合計と、中心セグメントからの逆出
   力を組合わせ、概ねゼロ総計を示す、エッジ検出条件を
   形成し、さらに上記回路が、上記エッジ検出条件におけ
   る、相対するセグメントからの代表信号の相対値を選択
   的に決定し、それからディテクタの直交象限の直交する
   軸に関して、検出されたエッジの角度方向の指示を形成
   することを特徴とする請求項１７に記載の装置。 ２４　上記論理回路が、軸に沿って中心セグメントの両
   側に並んだ１対の周辺セグメントの間の最大示差条件に
   おける出力を形成し、さらに、中心セグメントからの出
   力から減じられた周辺セグメントの組合わせ出力が、概
   ねゼロ値を取るようにしたことを特徴とする請求項１７
   に記載の装置。