JPH04258705A

JPH04258705A - 位置感知放射検出装置

Info

Publication number: JPH04258705A
Application number: JP26370391A
Authority: JP
Inventors: Amstel Willem D Van; ウィレム　ディルク　ファン　アムステル; Frederic Antonius Van De Goor Petrus; ペトルス　フレデリクス　アントニウス　ファン　デゴール
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1991-10-11
Publication date: 1992-09-14
Also published as: EP0480512A1; NL9002211A

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置感知放射検出装置
に関するものである。このような放射検出装置は入射す
る放射光の強度だけでなく放射感知面に入射する放射の
位置も測定する。位置感知放射検出装置は、例えば非接
触型の高さ計に用いられ、この高さ計では走査ビームを
用いて測定すべき物体上に走査スポットが形成されてい
る。走査スポットはレンズにより検出装置のターゲット
面上に結像され、放射スポットの位置に関する情報すな
わち物体の表面の高さに関する情報は像の位置を測定す
ることにより得られる。

【０００２】

【従来の技術】位置検出放射検出装置は、例えば特開昭
６３−１６４２８０号公報及び特開昭６３−１６４２８
１号公報から既知である。これらの公報には、半導体材
料から成る放射感知面を有する位置感知放射検出装置が
記載されている。この放射感知面は２個又は４個の接続部によって分割さ
れ、これら接続部の各々は放射感知面の縁部に沿って延
在している。放射感知面に光が入射すると、電荷が一方
の接続部に向けて流れ、この電荷は半導体材料中で中和
される。スポットが接続部に接近すると、発生した電流
のより多い部分がこの接続部に向けて流れる。接続部で
発生する相対電流強度は、放射光が感知面に入射する位
置を表わすことになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した既知の位置感
知放射検出装置は、入射光を自由電荷に変換することに
よって決定される放射強度に対する感度を有している。そして、この感度は放射のスペクトル及び強度範囲に対
して制限を受けてしまう。従って、入射する放射は少な
くとも放射検出系に対する比較的高い最小の光強度を有
しなければならず、全ての接続部において十分に大きな
信号を得ようとすると位置応答性がなくなってしまう。また、放射感知面の大きさつまり空間的測定領域が制限
され、放射感知面の形状も制限されてしまう。さらに、
このような位置感知検出装置は、入射光の角度に対する
独立性を有していない。すなわち、出力電流の分布は、
放射光が放射感知面に入射する角度に影響を受けてしま
う。

【０００４】本発明の目的は、放射感知面の大きさ及び
形状による制約をほとんど受けず、しかも結像光学系の
結像面の曲率に適合させることができる位置感知放射検
出装置を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するため、本発明による位置感知放射検出装置は、放射
導体と、この放射導体の対向する側に配置され、入射す
る放射光量の目安となる出力信号を発生する少なくとも
２個の放射検出器と、これら放射検出器間に延在するタ
ーゲット面とを具え、前記放射導体が、その内部を伝播
する放射を減衰させ、前記放射検出器の出力部を、この
検出器の出力信号の相対強度からターゲット面に入射す
る放射の位置を決定する手段に接続したことを特徴とす
る。入射窓を経て放射導体に入射する放射光は、ターゲ
ット面で反射した後検出器に向けて案内される。これら
検出器は、例えば高い内部増幅作用すなわち大きなダイ
ナミックレンジを有する光増倍管（ＰＭＴ）又はアバラ
ンシェ　　フォトダイオードのような高い感度の光電変
換器とする。

【０００６】ターゲット面すなわち第１の放射感知面は
、測定速度が遅くなることなく相当大きくすることがで
きる。この利点は、帯域幅及び応答時間のようなシステ
ムのパラメータに対して重要である。同様に、放射導体
及びターゲット面の形状は、本発明の検出装置における
選択した用途に対して最適化するのが極めて容易である
。入射した放射がターゲット面上で広がりを有するスポ
ットを形成する場合、放射分布の中心点はスポットとし
て表わされる。

【０００７】両端に放射検出器を有する光導体ロッドは
特開昭６２−２４６０１０号公報から既知である。この
公報には、測定ビームを走査ビームから分割すると共に
、この測定ビームを回折格子を介して光検出系に入射さ
せることによって走査スポットの位置が決定される光学
式走査装置が記載されている。この光検出系はロッドを
介して相互接続されている２個の検出器を有している。このロッドは回折格子の背後に直接取り付けられている
。走査スポットの位置は測定ビームが回折格子の透明部
分及び不透明部分に亘って移動することによって変調さ
れ、この変調された測定ビームによって発生する脈動信
号を測定することにより決定されている。従って、スポ
ットの位置は２個の検出器の出力信号を比較することに
よって測定されていないため、走査スポットの実際の位
置を決定する前に既知の位置に対する較正が常に必要に
なってしまう。このような装置は、不規則な表面上に形
成された走査スポットの位置を決定するのには用いこと
ができない。この理由は、不規則な表面は急峻な傾きを
有し反射条件が異なるため、放射感知検出系上に結像さ
れる走査スポットの像がジャップしてしまい、結像した
放射スポットの強度が変化するおそれがあるからである
。

【０００８】本発明による位置感知放射検出装置の一例
は、前記放射導体のターゲット面が、放射入射窓と対向
するように配置されると共に散乱反射性とされている。このように構成すれば、各検出器に入射する放射光の相
対強度は放射検出系への入射角にほとんど依存せず、こ
の結果ターゲット面上におけ反射の波長依存性がほとん
ど回避される。例えば、散乱性反射層としてＢａＳＯ４
　又は反射性のホワイトラッカを用いることができる。

【０００９】入射角に依存しない別の方法による実施例
は、放射入射窓に放射散乱手段を設ける。この目的を達
成するため、入射窓を粗面とし又は微細格子を設ける。この実施例においては、入射窓はビームが入射するター
ゲット面となる。

【００１０】１次元検出の実施例においては、散乱性反
射細条又は放射入射窓をその幅が適切に変位するように
形成することができ、この場合検出器に入射する放射強
度は散乱によって減衰し、この減衰は入射する放射光の
位置に応じて予め定めた関係に基いて変化する。

【００１１】本発明による位置感知放射検出装置の別の
実施例では、放射導体に例えばポリメチルメタクリレー
トのような透明材料を充填する。この実施例においては
、入射した放射光は上記透明材料の表面で全反射しなが
ら検出器まで案内される。合成材料を用いることにより
、放射導体を所望の形状にできると共に吸収材料を用い
ることにより伝播する放射の減衰の量を予め定めた値に
固定することができる利点が達成される。

【００１２】放射導体の周囲を、入射窓の部分を除いて
内側が反射性のエンベロープで包囲することにより、放
射検出装置の内部において放射を案内することもできる
。このエンベロープは周辺光に対するシールドとして作
用する効果を達成し、測定精度を向上させることができ
る。放射導体は、中空円筒体で構成できると共に反射層
が形成れているガラス又は合成材料のロッドで構成する
こともできる。放射光は放射導体の壁部にほぼ垂直に入
射するので入射の際に反射はほとんど発生せず、この結
果放射光の損失はほとんど発生しない。内側が反射性の
エンベロープの内側に透明材料の放射導体をギャップを
以って配置する。この反射性エンベロープは放射導体と
触することなく配置されるので、内部全反射が損なわれ
ることはない。このように構成することにより、内部全
反射だけを利用して入射放射を伝播させる場合又は反射
性ロッドだけを利用する場合よりも一層強い入射放射を
検出器まで導くことができる。

【００１３】本発明による位置感知放射検出装置の別の
実施例では、放射導体に発光特性又はシンチレーション
特性を有する材料層を形成する。この材料層は例えばタ
ーゲット面に形成する。このような材料を散乱性反射層
又は放射導体に用いることにより、光電変換器ではほと
んど検出されない放射及び／又は波長光を検出すること
ができる。放射ターゲット面に入射する放射は放射導体
で異なる波長の放射を発生する。

【００１４】特開昭５９−２２６３１８号公報から、走
査位置を検出する検出系に蛍光性ラッカを用いることが
既知である。また前述した特開昭６３−２４６０１０号
公報にも同様な構成が記載されているが、これらの特許
公報には２個の放射検出器の出力信号を比較して入射し
た放射の位置を決定する構成については何ら記載されて
おらず、放射の入射位置は放射ビーム中の格子によって
決定されている。

【００１５】本発明による位置感知放射検出装置の一例
においては、前記放射導体の４個の側にそれぞれ放射検
出器が配置され、ターゲット面に入射した放射の位置を
２次元的に決定する。

【００１６】本発明による位置感知放射検出装置の別の
実施例では、放射導体の及び放射検出器を、集積化した
光回路として形成する。放射導体、放射検出器及び出力
信号を処理する回路は同一の半導体材料素子に形成され
る。この結果、小型で高い感度を有する位置感知放射検
出装置が実現される。

【００１７】本発明による位置感知放射検出装置の別の
実施例では、放射導体を光ファイバで構成する。光ファ
イバは、小型で極めて強固な位置感知放射検出装置に用
いるのに好適である。

【００１８】本発明による位置感知放射検出装置は、表
面の形状及び／又は反射率を測定する光学式走査装置に
用いるのに極めて好適である。このような表面として、
例えば電子回路の製造に用いられるような金属化導体細
条や電子部品が設けられてい電気的絶縁材料のプレート
（プリント回路基板）がある。この走査装置は、例えば
導電性細条や電子部品を自動検査する場合に用いられる
。

【００１９】本発明による光学式走査装置は、放射ビー
ムを発生すると共に走査すべき面上に走査スポットを形
成する放射源ユニットと、この走査スポットを位置検知
放射検出装置上に結像する結像系とを具え、前記位置検
知放射検出装置が、放射導体及びこの放射導体の両側に
配置した少なくとも２個の放射検出器を有し、結像され
る像の位置を決定するように構成する。以下図面に基い
て本発明を詳細に説明する。

【００２０】

【実施例】図１ａ及び図１ｂは本発明による放射感知性
検出装置の構成を示す線図及び正面図である。この検出
装置は、例えばガラス又はポリメチルメタクリレート（
ＰＭＭＡ）のような合成材料のような透明材料から成る
ロッド状放射導体１０を有している。このロッド１０は
放射入射面１１を有する。例えば光増倍管又はアバラン
シェフォトダイオードのような放射検出器２１及び２２
をロッド１０の２個の端面１３及び１４に配置する。こ
れら検出器２１及び２２は、これらの放射感知面がロッ
ド１０の端面１３及び１４と対向するように配置する。ロッドと検出器との間の内部空間に光学的に透明な樹脂
又は接着剤を充填し、この樹脂又は接着剤により光結合
を形成する。放射検出器２１及び２２の出力部を処理装
置３０に接続する。

【００２１】位置感知放射検出装置は以下のように作動
する。放射ビーム１は、ロッド１０の放射入射窓１１を
経てある位置Ｘに入射する。このロッドにおいて、光は
、例えば入射窓１１と対向する拡散反射面すなわちター
ゲット面１２で散乱する。この反射面１２には、例えば
バリウムサルファイト（ＢａＳＯ４）　又は他の拡散性
反射ラッカのような反射性材料層を形成する。この材料
は放射波長光に対して高い反射係数を有する必要があり
、この材料は例えば放射光の波長に対応した色を有する
ことができる。この拡散反射面の機能は、ビーム１の放
射光を、このビームの入射角とは無関係に端面１３及び
１４に向かう方向にできるだけ均一に散乱させることで
ある。入射面１１に散乱特性を与えることにより、例え
ば粗面とし又は微細格子とすることにより同一の効果を
得ることができる。この場合、入射面がターゲット面と
なる。最も高い精度で位置決定を行なうためにはビーム
１をタゲット面上に集束させる。

【００２２】ビーム１の放射光がロッド１０中で散乱す
ると、この放射光は壁部の反射性能により端面１３及び
１４に向けて案内される。放射光は端面を経てロッド１
０から出射し放射検出器２１及び２２の放射感知面に入
射する。ロッド表面における吸収や不完全反射並びに放
射光が案内される際に生ずるターゲット面における損失
により放射光の損失が生ずるため、各端面における放射
光強度は入射ビーム１　のスポット位置に依存する。ス
ポットが一方の端面に接近すればするほど、その端面に
おける放射光強度は一層高くなり他方の端面における強
度は一層低くなる。

【００２３】放射検出器２１及び２２は出力信号Ｉ１　
及びＩ２　をそれぞれ発生し、これらの出力の大きさは
各検出器への入射強度の目安となる。ロッド中における
伝播損失によって生ずる出力信号の非平衡は、処理装置
３０において放射ビームのスポットの位置Ｘの目安とな
る信号に変換される。この変換は、例えば差分回路３１
において信号Ｉ１　とＩ２　とを互いに減算し、その後
得た差を回路３３において加算回路３２から発生した信
号Ｉ１　＋Ｉ２　で除算することによって正規化するこ
とにより行なう。入射ビームの幅が広い場合すなわちタ
ーゲット面の比較的広い部分に亘って光ビームが入射す
る場合、計算された値Ｘは放射分布の中心の位置を示す
ことになる。

【００２４】変形例として、処理装置３０は信号Ｉ１　
及びＩ２　をデジタの形態で再生する２個のＡ／Ｄ変換
器を備えることができ、この場合Ａ／Ｄ変換された信号
Ｉ１　及びＩ２　から位置Ｘの値をデジタルコンピュー
タ又はマイクロプロセッサにより計算する。そして、例
えば、検出器の感度特性を考慮することができる。

【００２５】図２ａ及び図２ｂは１次元位置感知放射検
出装置における相対位置感度の測定結果を示す。本例で
は、放射導体１０は直径が２５ｍｍ、長さが７００ｍｍ
　で断面が円形のＰＭＭＡロッドで構成する。図２ａ及
び図２ｂは、走査スポットがロッドの中心から約４３０
　ｍｍ移動した場合の一方の検出器における強度変化を
示す。用いた放射光の波長は６３３ｎｍ　である。入射
窓と対向するように拡散反射性細条を放射導体に設ける
。図２ａは２ｍｍ幅の反射性細条を用いた場合の強度変
化を示し、図２ｂは４ｍｍ幅の反射性細条を用いた場合
の強度変化を示す。これらのグラフは距離の関数として
強度変化に対する反射性細条の幅の影響を示す。図２ａ
において、強度は最大強度の４３％まで減少している。一方、幅の広い細条を用いた場合、図２ｂに示すように
強度は３７％まで減少している。この実験結果を適切に
用いることにより、ターゲット面の幅を位置の関数とし
て変化させることにより強度曲線を所望の位置感度に適
合させることができる。

【００２６】ターゲット面の幅の変化の状態を図３に示
す。ロッド１０のターゲット面１２は中央部において比
較的に広くし、端面に向かうに従ってその幅を狭くする
。ロッドの中央部においてターゲット面の幅を一層広く
することにより、中央部においてロッド中を伝播する放
射光により広い範囲に亘って散乱し、この結果損失は比
較的大きくなりロッドの中央部に入射した放射光は一層
大きく減衰する。この結果、感度曲線の勾配は中央分に
おいて比較的大きくなる。

【００２７】図４は内面反射性のエンベロープを有する
放射導体の断面を示す。放射導体１０はスリーブすなわ
ちエンベロー１５により包囲する。エンベロー１５の内
側には反射層１７を形成しこの反射層により入射した放
射光を反射する。このように構成することにより、放射
光の放射導体の壁部に入射する角度が反射の程度つまり
放射損失にほとんど影響を及ぼさない利点が達成される
。

【００２８】放射導体を合成材料又はガラスのロッドと
し、このロッドの外周面に反射層を形成することができ
、この場合ロッドは反射層を支持する作用も果たすこと
になる。放射導体は断面方向に見て凹面状に形成するこ
とも可能である。しかしながら、放射導体は、隙間を以
ってエンベロープ１５によって包囲された透明ロッド１
０で構成することが好ましい。ロッドと、エンベロープ
との間に空間を形成することにより、ロッドの表面にお
ける全内部反射が無駄になることはない。このように組
み合せることにより、検出器において最も強い放射強度
が得られる。

【００２９】図５は、放射導体の４個の側に４個の放射
検出器を配置した位置検知放射検出装置の実施例を示す
。放射導体１１０　は正方形又は矩形をなし、上面１１
１　、下面１１２　及び４個の側面１１３，　１１４，
　１１５　及び１１６　を有している。上面１１１　は
入射窓となる。下面１１２　はターゲット面を構成しこ
の下面１１２　には例えば散乱性反射材料層を形成して
入射ビーム１０１　の方向の影響をできるだけ除去する
。下面の形状は、放射導体が用途に応じた可変厚さを有
するように、例えばビームの結像面の曲率に適合するよ
うに上面の形状と相違させることができる。４個の側面
１１３，　１１４，　１１５　及び１１６　には放射検
出器１２１，　１２２，　１２３　及び１２４　をそれ
ぞれ設け、これら検出器により入射した放射強度を電気
信号Ｉ１　，　Ｉ２　，　Ｉ３　及び　　Ｉ４　に変換
する。これら電気信号を処理装置によって処理し、これ
らの信号に基いてターゲット面上のスポット１０１　の
座標系の位置を決定する。側面１１３，　１１４，　１
１５　及び１１６　と検出器１２１，　１２２，　１２
３　及び１２４　との間に放射導体１３１，　１３２，
　１３３　及び１３４　をそれぞれ配置し、これら放射
導体により側面の形状を検出器の形状に適合させる。

【００３０】図６は光学系を集積化した場合の一例を示
す。例えばシリコンのような半導体材料から成る基板１
５０　に、既知の方法で溝１５１　をエッチング形成す
る。この溝に、基板材料の屈曲率より大きい屈曲率の透
明材料を充填する。充填された溝は放射導体として機能
する光導波路となる。放射検出器１５２　及び１５３　
並びに光導体及び回路のような他の素子１５５〜１５７
　を、ＩＣの製造から既知の技術により基板材料中の両
端部に形成する。このように構成すれば、小型な放射感
知検出装置を実現することができる。

【００３１】図７は本発明による位置感知放射検出装置
を用いた光学式走査装置を示す。例えば半導体レーザの
ような放射源２００　から光ビームを発生する。このビ
ームは光学系２０１　により細径ビーム２０２　に変換
する。このビームを走査すべき表面に向けて入射させ、
この表面上に放射スポット２０３　を形成する。放射ス
ポットからの光は任意の方向に散乱する。

【００３２】この散乱した放射光の一部はレンズ系２０
４　に入射して面２０５　上に収束し、この面に位置検
知放射検出装置のターゲット面を設ける。放射スポット
２０３　の像を検出装置のターゲット面上に形成する。この像の位置はスポット２０３　の位置すなわち放射ビ
ーム２０２　で走査される表面の高さにより決定される
。走査される表面の高さ及び輪部は位置検知放射検出装
置２１０　により像の位置を測定することにより決定さ
れる。

【００３３】精密測定を行なう場合、位置検出放射検出
装置上に形成される放射スポット２０３　の像はできる
だけ小さくする必要があり、換言すれば、この像を合焦
させる必要がある。走査される面の高さが相違すること
はスポット２０３　の鮮明な像が別の位置に形成される
ことを意味するから、位置感知放射検出装置２１０　は
結像面の曲率に適合した湾曲したターゲット面を有する
必要がある。本発明による検出装置を用いることにより、このような
構成をとることが可能になる。

【００３４】面の走査を行なうため、物体を走査ビーム
に対して移動させることができる。走査ビームも物体に
沿って移動させ放射スポットを同期走査系を介して検出
装置上に結像させることも可能である。このような走査
装置は、例えば未公開オランダ国特許出願第９０００１
００　号に記載されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１ａ及び図１ｂは本発明による検出装置の実
施例を示す線図及び正面図である。

【図２】図２ａ及び図２ｂは放射ビームのスポットの関
数としての放射検出器の出力強度を示すグラフである。

【図３】図３は入射窓及び可変幅の散乱性反射面を有す
る放射導体を示す斜視図である。

【図４】内部反射性のエンベロープを用いた放射導体を
示す断面図である。

【図５】図５は入射した放射の位置を２次元的に決定す
る位置感知放射検出装置の実施例を示す斜視図である。

【図６】図６は集積化された光電子回路を示す斜視図で
ある。

【図７】図７は位置感知放射検出装置を用いた光学式走
査装置を示す線図である。

【符号の説明】

１　　ビーム１０　　放射導体１１　　入射窓１２　　ターゲット面２１，　２２　　放射検出器３０　　処理装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　放射導体と、この放射導体と対向する
側に配置され、入射する放射光量の目安となる出力信号
を発生する少なくとも２個の放射検出器と、これら放射
検出器間に延在するターゲット面とを具え、前記放射導
体が、その内部を伝播する放射を減衰させ、前記放射検
出器の出力部を、この検出器の出力信号の相対強度から
ターゲット面に入射する放射の位置を決定する手段に接
続したことを特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項２】　　請求項１に記載の位置感知放射検出装
置において、前記放射導体のターゲット面が、放射入射
窓と対向するように配置されると共に散乱反射性とされ
ていることを特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項３】　　請求項１又は２に記載の位置感知放射
検出装置において、前記放射入射窓に放射散乱手段を設
けたことを特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項４】　　請求項１，２又は３に記載の位置感知
放射検出装置において、前記放射導体にポリメチルメタ
クリレートのような透明材料が充填されていることを特
徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項５】　　請求項１，２，３又は４に記載の位置
感知放射検出装置において、前記放射導体が、内側が反
射性とされているエンベロープによって包囲されている
ことを特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項６】　　請求項５に記載の位置感知放射検出装
置において、前記内側が反射性のエンベロープが、透明
材料の中実体の周囲にほとんど機械的に接触しないよう
に配置されていることを特徴とする位置感知放射検出装
置。
【請求項７】　　請求項１，２，３，４，５又は６に記
載の位置感知放射検出装置において、前記放射導体に、
発光特性又はシンチレーション特性を有する材料層が形
成されていることを特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項８】　　請求項１，２，３，４，５，６又は７
に記載の位置感知放射検出装置において、前記放射導体
の４個の側にそれぞれ放射検出器が配置され、ターゲッ
ト面に入射した放射の位置を２次元的に決定するように
構成したことを特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項９】　　請求項１から８までのいずれか１項に
記載の位置感知放射検出装置において、前記放射導体及
び放射検出器を、集積化した光回路として形成したこと
を特徴とする位置感知放射検出装置。
【請求項１０】　　請求項１から７までのいずれか１項
に記載の位置感知放射検出装置において、前記放射導体
を光ファイバとしたことを特徴とする位置感知放射検出
装置。
【請求項１１】　　放射ビームを発生すると共に走査す
べき面上に走査スポットを形成する放射源ユニットと、
この走査スポットを位置感知放射検出装置上に結像する
結像光学系とを具え、前記位置感知放射検出装置が、放
射導体及びこの放射導体の両側に配置した少なくとも２
個の放射検出器を有し、結像される像の位置を決定する
ように構成したことを特徴とする光学式走査装置。