JPH0575607U - 走査型検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出対象物を動かさずに、高分解能で高速な
検出を行なうことができ、しかも小型かつ安価である走
査型検出装置の提供を目的とする。 【構成】 発光部からの照射光を直交方向に異なる曲率
で屈折し、検出対象物表面に直線状に集光する光変換部
と、検出対象物表面の検出線と直交する方向に照射光を
走査する光走査部と、検出線上の焦点と共焦点となる光
学的位置に配され、検出線に対応する方向に一次元的に
配列された複数の受光素子と、前記発光部、光変換部、
光走査部および受光素子の全体を収容する鏡筒とを該鏡
筒を対物レンズの光軸方向に走査する駆動機構とを有
し、検出対象物に走査の影響を与えることなく、照射光
走査方向と対象物の高さ方向には共焦点系を構成して高
分解を得ると共に、受光素子の配列方向には電気的走査
によって高速な検出を可能とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は走査型検出装置に関し、とくに高分解能で高速な検出を行なうことが でき、しかも小型かつ安価にすることができる構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図７は光学顕微鏡における共焦点光学系の原理を示す概略図である。ここでは 透過型のものを例示する。

【０００３】 光源ａの光は投光側レンズｂによって検出対象物ｃ上で焦点を結ぶ。検出対象 物ｃを透過する光は、受光側レンズｄによって受光部ｅ上に集光される。このと き、受光側レンズｄの焦点上には、ピンホールｆが配置されており、光源ａの光 が焦点を結んでいない検出対象物上の点については、受光部ｅに入射する光量が 少なくなる。この結果、焦点に位置する検出対象物上の点のみが受光部ｅに受光 される。この原理を利用して、検出対象物ｃ上に結ぶ焦点をＸ方向およびＹ方向 に走査させれば、フォーカス面のみが像コントラストをもち、他の面は見えなく なる。

【０００４】 図６で示すような高さをもつ検出対象物２の立体像は、図７の原理を反射型に した光学系において、図６ＢのＸＹ方向に照射光を走査させて得た像を積み重ね ることにより得られる。すなわち載置台３上の検出対象物２には照射光１が照射 され、照射光１は一点に集光される。そして矢印１０方向の走査を図６Ｂにおけ るＸ方向とすれば、このＸ方向の走査をＹ方向に順次ずらしながら繰り返すこと でレベルＬ１上で光源の光が焦点を結んでいる対象物２上の点がすべて得られる 。

【０００５】 レベルＬ１での検出後に、照射光１の焦点深度をレベルＬ２に引上げて走査す る。すると、この場合は図６Ａにおける検出点Ｐ３、Ｐ４を検出することことに なる。同様にして焦点深度をレベルＬ３にして検出点Ｐ５、Ｐ６を検出し、以後 、順次レベルを引上げて走査を繰り返す。

【０００６】 以上のようにして、焦点深度を変更させながら高速走査を行ない、各検出デー タを総合して検出対象物２の形状を認識する。なお、立体物である検出対象物２ の表面形状の全体を検出するには、三次元測定が必要である。このため、一点に 集光された照射光１は図６Ｂに示すようにＸ軸方向に往復走査を行ないながらＹ 軸方向にスイープさせる。たとえば図６Ａに示すレベルＬ１について、図６Ｂの ようなＸ軸、Ｙ軸方向への高速走査を行って各検出点を検出し、いわば等高線の ような点の集合を認識する。ついで焦点深度をＺ軸方向に引上げてレベルＬ２（ 図６Ａ）とし、同様に図６Ｂに示す走査を行なう。こうして検出対象物２の立体 形状を認識し、たとえばモニターへの表示等を行なう。

【０００７】 走査の方法は、載置台３を移動するステージ走査法と、光学系により照射光を 移動させるビーム走査法が考えられる。しかし高速で載置台３を往復動させるの は困難であり、また検出対象物２に高速振動による慣性力を加えるのは好ましく ない。そこでリアルタイムでの形状認識等にはＸ軸−Ｙ軸方向についてビーム走 査法が多く用いられている。

【０００８】 ビーム走査法の一例として照射光１のＸ軸、Ｙ軸の方向への高速走査を、ガル バノミラー等を用いて機械的に偏向させるものが挙げられる（図示せず）。たと えば、照射光１をＸ軸用ガルバノミラーとＹ軸用ガルバノミラーを介して検出対 象物２に照射し、これら双方の制御を組み合わせて図６Ｂに示すような走査を得 る。また、他の方法として光の位置的変調を発生させる音響光学系素子（ＡＯ） を用いて照射光１をＸ軸、Ｙ軸方向へ高速走査させるものもある。

【０００９】 他方、Ｚ軸方向の走査、すなわち焦点深度の変更については、照射光の方向を 変えるビーム走査法を採用しえない。そのため光学系と載置台の距離を変化させ る必要がある。

【００１０】 この場合光学系を移動させることも考えられるが、光学系には前述のようにＸ 軸方向とＹ軸方向の２基のガルバノミラーを設けているので相当重くなり、微妙 な高さ調節が難しい。さらに互いに直交するように走査する２基のガルバノミラ ーに上下移動の振動が及ぶと、両者の同調制御が損なわれ、正確な平面走査がで きなくなる問題がある。そのため従来は光学系全体を収容した鏡筒側を移動させ ることはまったく考えることができず、実際には載置台３を動かすようにしてい た。

【００１１】 載置台３をＺ軸方向に移動させる方法として、従来たとえば図８および図９に 示す駆動機構が用いられている。

【００１２】 図８の１０１は本体フレームであり、載置台３はＬ字状の本体フレーム１０１ の立壁１０２に対し、ガイド溝１０３によって上下にスライド自在に設けられて いる。また本体フレーム１０１の下部の水平壁１０４に形成したネジ孔に、ネジ 軸１０５が螺合され、その上端が載置台３の下面を支持している。さらにネジの バックラッシュを少なくするため、載置台３はバネ１０６等で下向きに付勢され ている。このものはネジ軸１０５をモータ等で回転駆動すれば、載置台３を上下 方向に移動させうる。

【００１３】 図９に示す駆動機構は、載置台３に上下方向に固着したラック１０７と、本体 フレーム１０１に対して回転自在に設けられるピニオン１０８とから構成されて いる。ピニオン１０８は、モータ１０９等で往復駆動され、それにより載置台３ は上下に移動する。

【００１４】 なお、図６Ａの焦点深度の各レベル移動（Ｚ軸方向）、および図６ＢのＸ軸、 Ｙ軸方向の往復走査は、実際には極めて細密に行われる。

【００１５】

【考案が解決しようとする課題】 上述のように、載置台３を上下に細密に移動させるようにすると、装置が大が かりとなり、また走査速度が遅いという問題点を有している。

【００１６】 他方、Ｘ軸−Ｙ軸方向のビーム走査法では検出対象物２の形状検出を行なうた め、ガルバノミラー等を用いて図６Ｂに示すように照射光１のＸ軸方向の走査を Ｙ軸方向に順に移動させながら何度も繰り返さなければならない。さらに、これ らＸ軸、Ｙ軸方向への走査は、各レベルの焦点深度毎（図６Ａ）に繰り返し行な う必要があり、迅速な検出が困難であった。しかし、検知した検出対象物２の形 状はリアルタイムでのモニタ表示の出力が望まれるため、各検出データはできる かぎり迅速に収集し、処理しなければならない。

【００１７】 照射光１を走査させる手段として音響光学系素子を用いた場合、高速走査は可 能であり、迅速な検出を実現することができる。しかし、その反面、照射光に分 散が生じ、受光系等に複雑な手法を必要とする。また素子自体が高額で検出装置 の製品コストが高くなるという問題がある。

【００１８】 また、ガルバノミラーやポリゴンミラーの組み合わせによって照射光１を二次 元的に走査させると、装置の構造が大がかりになり、検出装置が大型化してしま うという問題もある。

【００１９】 そこで本考案では、三次元の検出対象物の高速な検出を行なうことができ、し かも小型かつ安価である走査検出装置の提供を目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】

本考案に係る走査型検出装置は、検出対象物を載置するための載置台と、該載 置台に対向して配置される鏡筒部と、検出処理部とを備えており、前記鏡筒部が 、 点光源に近似できる光源と、 該光源からの照射光を、検出対象物上において直線状の焦点を結ぶように集 光する第１光学系を備えた光変換部と、 該光変換部の光路上にあって、検出対象物上に集光した光を前記焦点と直交 方向に走査させる光走査部と、 検出対象物からの反射光を集光する第２光学系と、該第２光学系に関し、前 記検出対象物上に結ばれた前記第１光学系の焦点に対して共焦点に当たる位 置であり、前記直線状の焦点と対応する方向に一次元的に配列された複数の 受光素子とを有し、該受光素子の受光に応じて受光信号を出力する受光部 とを備えており、 前記検出処理部が、前記受光部が出力した受光信号を取り込み、所定の検出動 作を行なうものであり、 さらに前記検出対象物上の焦点を検出対象物の高さ方向に走査するべく、前記 鏡筒部を、載置台に対して接近および離隔させる駆動手段を備えていることを特 徴としている。

【００２１】

【作用】

本考案に係る走査型検出装置は上述のようにしてなり、光交換部により照射光 が検出対象物上で直線状に集光し、受光部は検出線に対応する方向に一次元的に 配列された複数の受光素子でなることから、照射光の走査方向には共焦点系を構 成する。このことより走査方向および高さ方向には共焦点特有の高分解能を得る ことができ、また、走査と直交方向には受光部の分解能と光学系倍率で決まる分 解能を得つつ受光部の電気的走査により高速化をはかることができる。

【００２２】 さらに直線状の検出線による一方向の走査だけで二次元検出を行なえるように したので、ガルバノミラー等は１個で済み、鏡筒を大幅に軽量化できる。そのた め本考案では鏡筒側をＺ軸方向に移動させる構成を採用し、載置台および検出対 象物を静止状態として検出誤差を少なくすることができる。

【００２３】

【実施例】

本考案に係る走査型検出装置の一実施例を図面に基づいて説明する。まず、図 １に本実施例の概略を示す。４０は発光部としての半導体レーザであり、スペッ クルノイズを除去するため高周波変調した照射光７１を発している。この照射光 ７１は投光レンズ４１、投光部シリンドリカルレンズ４２を透過する。投光部シ リンドリカルレンズ４２は照射光７１を直交方向に異なる焦点距離で屈折させ、 ハーフミラー７、ガルバノミラー９および対物レンズ１１を介して載置台３上の 検出対象物２に直線状の検出線を構成する。

【００２４】 ガルバノミラー９は１個だけであり、このものはミラー軸５１を中心として矢 印５０方向に回転可能であり、照射光を所定方向に走査させるものである。なお 、このガルバノミラー９は、ガルバノミラー駆動回路１２によって制御されてい る。ガルバノミラー９で反射した光は、対物レンズ１１を通じて検出対象物２に 向けて投射される。この時の載置台３の平面図を図２Ａに示す。上述のように投 光部シリンドリカルレンズ４２によって一方向に絞り込まれた照射光は線状に延 びる形で投射されて検出線７２を構成する。

【００２５】 こうして投射された照射光は載置台３において反射光を生じ、この反射光は図 １に示すように再びガルバノミラー９で反射してハーフミラー７を透過する。そ して、反射光は受光部シリンドリカルレンズ４３、受光レンズ２２を通じて受光 部であるＣＣＤラインセンサ６で受光される。

【００２６】 この受光部シリンドリカルレンズ４３も、受けた反射光を直交方向に異なる焦 点距離で屈折させ、受光レンズ２２を介してＣＣＤラインセンサ６上に直線状の 焦点を形成する。なお、ＣＣＤラインセンサ６は、図２Ｂに示すように複数のＣ ＣＤ素子が直線状に配置されて構成されている。

【００２７】 さらに前記投光側および受光側の各要素は鏡筒３０に一体に収容され、本体フ レーム１０１に対して対物レンズ１１の光軸方向にスライドする（矢印３１、３ ２）ように取りつけられている。

【００２８】 鏡筒３０はたとえば図４に示すような円筒状のケースである。さらに鏡筒３０ は側面に設けられたラック３３と、本体フレーム１０１に回転自在に取りつけら れたピニオン３４およびモータ３５からなる駆動機構によって、そのスライド方 向に直進往復駆動される。逆に載置台３は基本的に本体フレーム１０１に固定さ れている。

【００２９】 なお、前記駆動用モータ３５としては電気モータでも可能であるが、超音波モ ータを用いるのが好ましい。またラック−ピニオン式の回転直進変換機構に代え て、鏡筒の周囲に形成したネジと、そのネジに螺合するナットからなるネジ機構 等を採用してもよい。また図１の実施例におけるＣＣＤラインセンサ６と光源４ ０の位置を逆にし、図５に示す装置を構成することもできる。図５の装置は図１ の装置と実質的に同じであるので、図１の装置と同じ要素には同じ符号をつけて 説明を省略する。

【００３０】 つぎに、図１の検出装置を用いて検出対象物２の形状を検出する場合の動作を 説明する。まず、検出対象物２に向けて照射される光の焦点深度を、鏡筒３０を スライドさせて、たとえば図６Ａに示すレベルＬ１に設定する。そして、この焦 点深度を維持した状態でガルバノミラー９を駆動し、照射光をＹ軸方向に走査さ せる。（図１、図２Ａ参照）。なお、ガルバノミラー９はガルバノミラー駆動回 路１２によって駆動され、このガルバノミラー駆動回路１２は駆動制御回路１４ からの信号を受け駆動信号を発生するものである。

【００３１】 今、図２Ａにおいて検出線７２がＹ方向に走査し、検出位置８０上に検出線７ ２が位置しているとする。投光部シリンドリカルレンズ４２、ハーフミラー７、 ガルバノミラー９および対物レンズ１１等からなる投光側と、対物レンズ１１、 ガルバノミラー９および受光レンズ２２等からなる受光側とは、直交方向に共焦 点系を構成しており、検出線７２から外れた位置からの光はＣＣＤラインセンサ ６には入射しない。また、この時の焦点深度（図６Ａ、レベルＬ１）に位置する 検出点Ｐ８、Ｐ９以外の点についてもＣＣＤラインセンサ６への受光量が減少す るので検出されない。

【００３２】 この場合、ＣＣＤラインセンサ６の備えるＣＣＤ素子の中、検出点Ｐ８、Ｐ９ （図２Ａ）に対応するＣＣＤ素子６８、６９にのみ高い光量が受光されることに なる。そして、このＣＣＤラインセンサ６は端部のＣＣＤ素子から順に受光量に 応じた受光信号を出力する。なお、ＣＣＤラインセンサ６には駆動制御回路１４ （図１）から同期信号が与えられ、照射光のＹ軸方向の走査タイミングより充分 速く受光信号が出力されるようになっている。すなわち、ＣＣＤラインセンサ６ による電気的走査が図６の場合のＸ軸方向の走査を行なうことになる。

【００３３】 図３は検出処理部８８のブロック図の一例である。照射光はたとえばレベルＬ １（図６Ａ）上でガルバノミラー９により機械的には１回だけ走査される。これ によって検出対象物２のレベルＬ１における外周が検知される。ここで各受光信 号はアンプ２１を介してフレームメモリ２３に記憶される。画像判別回路２５は このフレームメモリ２３に記憶された画像をパターン判別する。たとえば、Ｚ軸 断面毎に検出対象物２と基準画像とを比較し、所定のしきい値以上のずれがあっ た場合に不良の出力をすることも可能である。

【００３４】 その後、鏡筒を上昇させることにより、照射光の焦点深度をたとえばレベルＬ ２、Ｌ３（図６Ａ）と順次引上げ、各レベル毎にＸ軸方向の電気的走査およびＹ 軸方向の機械的走査を行なう。そしてこれらの検出データに基づき、各焦点深度 での画像を逐次モニタ出力回路を介して表示させることも可能であり、また各焦 点深度における画像を積み上げて鳥瞰図としてモニタ表示させることも可能であ る。

【００３５】 以上のように、投光側のレンズ系および受光側のレンズ系を走査と直交方向に 共焦点とすることにより、分解能を高めることができる。またＣＣＤラインセン サの長さ方向（走査と直交方向）にはＣＣＤの電気的走査を行なうだけであるた め高速化が可能となるものであり、走査させるためのガルバノミラー等を設ける 必要はない。このため検出装置の構造を簡略化することができ、装置を小型にす ることができる。さらに、音響光学素子を用いて検出速度を高めるものではない ため、分散の影響もなく安価な費用で検出の高速化を図ることができる。

【００３６】 またこの鏡筒の軽量化の利点を有効に活用し、鏡筒側を移動させる構成を採用 したので、載置台および検出対象物を移動させる必要がない。

【００３７】 なお、本実施例においては、検出線７２を走査するためにガルバノミラー９を 用いたが、ポリゴンミラー、プリズム等によって走査させることもできる。

【００３８】

【考案の効果】

本考案に係る走査型検出装置においては、走査方向および高さ方向については 共焦点系の高分解能による検出を可能とし、しかも、走査と直交する方向につい ては、一次元的に配列された複数の受光素子の電気的走査となるため、高速な検 出を可能とするものである。また、ガルバノミラー等の大型部品を減少させるた め、走査機構を簡略化することができ、検出装置を小型、安価にすることが可能 となる。

【００３９】 さらに検出対象物を動かさないため、検出誤差を少なくしうる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る走査型検出装置の一実施例を示す
概略図である。

【図２】Ａは検出対象物が載置された載置台に照射光が
投射された状態を示す平面図、ＢはＣＣＤラインセンサ
の正面図である。

【図３】図２Ｂに示すＣＣＤラインセンサから出力され
た受光信号を取り込み、検出処理を行なう回路のブロッ
ク図である。

【図４】本考案に関わる鏡筒駆動機構の一実施例を示す
斜視図である。

【図５】本考案に関わる走査型検出装置の検出装置の他
の実施例を示す構成図である。

【図６】Ａは走査型検出装置の検出原理を説明するため
の側面図であり、Ｂは従来の走査型検出装置の走査を示
す平面図である。

【図７】共焦点光学系の原理を示す概略図である。

【図８】従来の走査型検出装置における載置台駆動機構
の一例を示す斜視図である。

【図９】従来の走査型検出装置における載置台駆動機構
の他の例を示す側面図である。

【符号の説明】

６ ＣＤＤラインセンサ ９ ガルバノミラー ３０ 鏡筒 ３３ ラック ３４ ピニオン ４０ 半導体レーザ ４２ 投光部シリンドリカルレンズ ８８ 検出処理部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】検出対象物を載置するための載置台と、該
   載置台に対向して配置される鏡筒部と、検出処理部とを
   備えており、 前記鏡筒部が、 点光源に近似できる光源と、 該光源からの照射光を、検出対象物上において直線状の
   焦点を結ぶように集光する第１光学系を備えた光変換部
   と、 該光変換部の光路上にあって、検出対象物上に集光した
   光を前記直線状の焦点と直交方向に走査させる光走査部
   と、 検出対象物からの反射光を集光する第２光学系と、該第
   ２光学系に関し、前記検出対象物上に結ばれた前記第１
   光学系の焦点に対して共焦点に当たる位置であり、前記
   直線状の焦点と対応する方向に一次元的に配列された複
   数の受光素子とを有し、該受光素子の受光に応じて受光
   信号を出力する受光部とを備えており、 前記検出処理部が、前記受光部が出力した受光信号を取
   り込み、所定の検出動作を行なうものであり、 さらに前記検出対象物上の焦点を検出対象物の高さ方向
   に走査するべく、前記鏡筒部を載置台に対して接近およ
   び離隔させる駆動手段を備えていることを特徴とする走
   査型検出装置。