JPH09318869A - 位置制御装置、自動焦点制御装置および自動焦点制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的な調整が必要なく、目標焦点位置を広
い範囲で任意に設定することができ、対象物の反射率お
よび対象物の裏面反射の有無にかかわらず同一の安定度
でかつ高精度で焦点合わせを行うことができる自動焦点
制御装置および自動焦点制御方法を提供することであ
る。 【解決手段】 ＣＣＤイメージセンサ４からのＣＣＤ出
力データにおいて感光媒体１００の表面反射によるピー
クを光量レベルに基づいて識別し、表面反射によるピー
クと裏面反射によるピークとの画素位置の差を求め、そ
の差に基づいて重心位置の計算に必要なパラメータを提
供し、そのパラメータに基づいて感光媒体１００の表面
反射によるピークの重心位置を計算する。重心位置と予
め設定された目標焦点位置との偏差に基づいて描画ヘッ
ド１を移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆる三角測定
法を用いた位置制御装置、自動焦点制御装置および自動
焦点制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリント基板やリードフレーム用のマス
ク等の感光媒体にレーザ光を用いてパターンを描画する
ために露光装置が用いられる。このような露光装置で
は、レーザ光を出射する描画ヘッドを感光媒体の上方に
配置し、描画ヘッドまたは感光媒体を互いに相対的に水
平方向に移動させながら描画ヘッドから感光媒体の表面
にレーザ光を集光してパターンを描画する。このとき、
感光媒体が上下に変動すると、描画ヘッドの焦点がずれ
ることになる。そのため、描画ヘッドの焦点合わせを自
動的に行う自動焦点制御装置が用いられる。

【０００３】図１５はＰＳＤ（位置検出素子）を用いた
従来の自動焦点制御装置を模式的に示す図である。図１
５において、描画ヘッド３００は光学系３０１、レーザ
ダイオード３０２およびＰＳＤ３０３を含み、Ｚ軸方向
（上下方向）に移動可能に構成されている。光学系３０
１は、描画ヘッド３００に入射した描画用レーザビーム
ＬＢを感光媒体１００上に集光するための対物レンズ３
０４を有する。

【０００４】レーザダイオード３０２およびＰＳＤ３０
３は、描画ヘッド３００と感光媒体１００との焦点合わ
せに用いられる。すなわち、レーザダイオード３０２
は、レーザビームＬＢ１を感光媒体１００の方向へ出射
する。ＰＳＤ３０３は、感光媒体１００の表面からの反
射光を受光し、受光面上のレーザビームの入射位置に応
じた電圧値を有する第１出力信号Ｓ１および第２出力信
号Ｓ２を同時に出力する。

【０００５】なお、描画ヘッド３００の焦点が感光媒体
１００の表面に合っているときに、描画ヘッド３００が
目標焦点位置にあるものとする。図１５（ａ）は描画ヘ
ッド３００が目標焦点位置よりも上方にある場合を示し
ている。この場合には、感光媒体１００からの反射光は
ＰＳＤ３０３の受光面の一端側に入射する。そのため、
第１出力信号Ｓ１のレベルが第２出力信号Ｓ２のレベル
よりも高くなり、第２出力信号Ｓ２から第１出力信号Ｓ
１を差し引いたレベル差ΔＳは負となる。

【０００６】図１５（ｂ）は描画ヘッド３００が目標焦
点位置にある場合を示している。この場合には、感光媒
体１００からの反射光はＰＳＤ３０３の受光面の中心部
に入射する。したがって、第１出力信号Ｓ１のレベルが
第２出力信号Ｓ２のレベルと等しくなり、レベル差ΔＳ
は０となる。

【０００７】以上より、第１出力信号Ｓ１と第２出力信
号Ｓ２のレベル差ΔＳが０となるように描画ヘッド３０
０を上下方向に移動させることによりオートフォーカス
を行うことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のＰＳＤを用いた
自動焦点制御装置では、描画ヘッド３００が予め設定さ
れた目標焦点位置にあるときに、感光媒体１００からの
反射光がＰＳＤの受光面の中心部に入射する必要があ
る。そのため、自動焦点制御装置を機械的に微調整する
必要がある。

【０００９】また、描画ヘッド３００と感光媒体１００
との間の距離により反射光の光量が変化するため、設定
できる目標焦点位置の範囲が狭くなる。また、感光媒体
１００の種類により反射率が異なるため、レーザダイオ
ード３０２の光量が同じでも感光媒体１００の種類によ
って反射光の光量が異なる。それにより、感光媒体１０
０によって第１出力信号Ｓ１と第２出力信号Ｓ２のレベ
ル差ΔＳの傾きが異なる。反射光の光量が少ないとレベ
ル差ΔＳの傾きが小さくなり、反射光の光量が多いとレ
ベル差ΔＳの傾きが大きくなる。このレベル差ΔＳの傾
きが大きいほど、描画ヘッド３００の位置制御の安定度
が高くなる。すなわち、感光媒体１００の種類によって
描画ヘッド３００の位置制御の安定度が異なることにな
り、常に同一の安定度で位置制御を行うことができな
い。感光媒体１００の種類にかかわらず常に同一の安定
度で位置制御を行うためには、感光媒体１００の反射率
に応じてＰＳＤ３０３の出力信号の増幅度を変化させる
必要がある。その場合、信号処理回路の構成が複雑とな
る。

【００１０】さらに、感光媒体１００がガラス等の透光
性材料からなる場合、レーザビームＬＢ１が感光媒体１
００の表面および裏面で反射される。ＰＳＤ３０３に感
光媒体１００の表面による反射光および裏面による反射
光が入射すると、感光媒体１００の表面の位置を正確に
検出することができない。その結果、描画ヘッド３００
の位置制御の精度および安定度が低下する。そこで、感
光媒体１００の裏面による反射光がＰＳＤ３０３に入射
しないように描画ヘッド３００を移動させると、位置制
御の範囲が狭くなる。

【００１１】本発明の目的は、機械的な調整が必要な
く、目標位置を広い範囲で任意に設定することができ、
対象物の反射率および対象物の裏面反射の有無にかかわ
らず同一の安定度でかつ高精度で位置制御を行うことが
できる位置制御装置を提供することである。

【００１２】本発明の他の目的は、機械的な調整が必要
でなく、目標焦点位置を広い範囲で任意に設定すること
ができ、対象物の反射率および対象物の裏面反射の有無
にかかわらず同一の安定度でかつ高精度で焦点合わせを
行うことができる自動焦点制御装置および自動焦点制御
方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段および発明の効果】

（１）第１の発明 第１の発明に係る位置制御装置は、対象物に対する相対
的な位置を制御する位置制御装置であって、光源、ライ
ンセンサ、保持手段、移動手段、識別手段、算出手段お
よび移動制御手段を備える。

【００１４】光源は、対象物に光を照射する。ラインセ
ンサは、直線状に配列された複数の画素を有し、対象物
からの反射光の光量分布を検出する。保持手段は、光源
およびラインセンサを保持する。移動手段は、保持手段
を対象物の表面に対してほぼ垂直方向に移動させる。

【００１５】識別手段は、ラインセンサにより検出され
た光量分布において対象物の表面反射によるピークを光
量レベルに基づいて識別する。算出手段は、識別手段に
より識別された表面反射によるピークの位置と対象物の
裏面反射によるピークの位置との差に基づいて表面反射
によるピークの重心位置の計算のための情報を算出す
る。

【００１６】移動制御手段は、算出手段により算出され
た情報に基づいて表面反射によるピークの重心位置を求
め、重心位置がラインセンサの複数の画素上で予め設定
された目標位置に一致するように移動手段により保持手
段を移動させる。

【００１７】第１の発明に係る位置制御装置において
は、光源により対象物に光が照射され、その反射光の光
量分布がラインセンサにより検出される。また、光源お
よびラインセンサは保持手段により保持された状態で対
象物の表面に対してほぼ垂直方向に移動される。

【００１８】ラインセンサにより検出された光量分布に
おいて対象物の表面反射によるピークが光量レベルに基
づいて識別され、識別された表面反射によるピークの位
置と対象物の裏面反射によるピークの位置との差に基づ
いて表面反射によるピークの重心位置の計算のための情
報が算出される。そして、算出された情報に基づいて表
面反射によるピークの重心位置が求められ、重心位置が
ラインセンサの複数の画素上で予め設定された目標位置
に一致するように保持手段が移動される。それにより、
保持手段を対象物に対して相対的に予め設定された位置
に位置決めすることができる。

【００１９】この位置制御装置においては、ラインセン
サの複数の画素上に設定する目標位置を調整することに
より保持手段を位置決めする位置を調整することができ
るので、位置制御装置を機械的に調整する必要がない。

【００２０】また、目標位置をラインセンサの複数の画
素の範囲内で任意に変更することができるので、目標位
置の設定範囲が広くなる。また、対象物の反射率が異な
ってもラインセンサにより検出される反射光の光量分布
のピークの重心位置は異ならないので、反射率の値にか
かわらず同じ安定度で保持手段の位置制御を行うことが
できる。

【００２１】さらに、ラインセンサにより検出される反
射光の光量レベルに基づいて対象物の表面反射によるピ
ークが識別され、識別された表面反射によるピークの位
置と裏面反射によるピークの位置との差に基づいて表面
反射によるピークの重心位置が算出されるので、ライン
センサへの裏面反射による光の入射の有無にかかわらず
同じ安定度で保持手段の位置制御を行うことができる。
また、ラインセンサへの裏面反射による光の入射を避け
る必要がないので、広範囲の位置制御が可能となる。

【００２２】（２）第２の発明 第２の発明に係る自動焦点制御装置は、光学系、光源、
ラインセンサ、保持手段、移動手段、識別手段、算出手
段および移動制御手段を備える。

【００２３】光学系は、対象物の表面に光を集束させ
る。光源は、対象物に光を照射する。ラインセンサは、
直線状に配列された複数の画素を有し、光源により照射
されて対象物で反射された光の光量分布を検出する。保
持手段は、光学系、光源およびラインセンサを保持す
る。移動手段は、保持手段を対象物の表面に対してほぼ
垂直方向に移動させる。

【００２４】識別手段は、プリフォーカス動作時に、ラ
インセンサにより検出された光量分布において対象物の
表面反射によるピークを光量レベルに基づいて識別す
る。算出手段は、プリフォーカス動作時に、識別手段に
より識別された表面反射によるピークの位置と対象物の
裏面反射によるピークの位置との差に基づいて表面反射
によるピークの重心位置の計算のための情報を算出す
る。

【００２５】移動制御手段は、プリフォーカス動作およ
びオートフォーカス時に、算出手段により算出された情
報に基づいて表面反射によるピークの重心位置を求め、
重心位置がラインセンサの複数の画素上で予め設定され
た目標焦点位置に一致するように移動手段により保持手
段を移動させる。

【００２６】第２の発明に係る自動焦点制御装置におい
ては、光源により対象物に光が照射され、その反射光の
光量分布がラインセンサにより検出される。また、光源
およびラインセンサは光学系とともに保持手段により保
持された状態で対象物の表面に対してほぼ垂直方向に移
動される。

【００２７】プリフォーカス動作時に、ラインセンサに
より検出された光量分布において対象物の表面反射によ
るピークが光量レベルに基づいて識別され、識別された
表面反射によるピークの位置と対象物の裏面反射による
ピークの位置との差に基づいて表面反射によるピークの
重心位置の計算のための情報が算出される。

【００２８】そして、プリフォーカス動作時およびオー
トフォーカス時に、算出された情報に基づいて表面反射
によるピークの重心位置が求められ、重心位置がライン
センサの複数の画素上で予め設定された目標焦点位置に
一致するように保持手段が移動される。それにより、光
学系の焦点を予め設定された位置に合わせることができ
る。

【００２９】この自動焦点制御装置においては、ライン
センサの複数の画素上に設定する目標焦点位置を調整す
ることにより光学系の焦点を合わせる位置を調整するこ
とができるので、自動焦点制御装置を機械的に調整する
必要がない。

【００３０】また、目標焦点位置をラインセンサの複数
の画素の範囲内で任意に変更することができるので、目
標焦点位置の設定範囲が広くなる。さらに、対象物の反
射率が異なってもラインセンサにより検出される反射光
の光量分布のピークの重心位置は異ならないので、反射
率の値にかかわらず同じ安定度で焦点合わせを行うこと
ができる。

【００３１】また、ラインセンサにより検出される反射
光の光量レベルに基づいて対象物の表面反射によるピー
クが識別され、識別された表面反射によるピークの位置
と裏面反射によるピークの位置との差に基づいて表面反
射によるピークの重心位置が算出されるので、ラインセ
ンサへの裏面反射による光の入射の有無にかかわらず同
じ安定度で焦点合わせを行うことができる。また、ライ
ンセンサへの裏面反射による光の入射を避ける必要がな
いので、広範囲の焦点合わせが可能となる。

【００３２】（３）第３の発明 第３の発明に係る自動焦点制御装置は、第２の発明に係
る自動焦点制御装置の構成において、重心位置が目標焦
点位置に一致したときに、対象物の反射率に応じて光源
の光量を調整する光量調整手段をさらに備えたものであ
る。

【００３３】第３の発明に係る自動焦点制御装置におい
ては、対象物の反射率に応じて光源の光量が自動的に調
整されるので、対象物の反射率に合わせて適切な反射光
の光量が得られる。したがって、対象物の反射率の値に
かかわらず高精度の焦点合わせが可能となる。

【００３４】（４）第４の発明 第４の発明に係る自動焦点制御方法は、対象物の表面に
光を集束させる光学系の焦点合わせを行う自動焦点制御
方法であって、対象物に光を照射する光源および光源に
より照射されて対象物で反射された光の光量分布を検出
するラインセンサを光学系とともに保持し、プリフォー
カス動作時に、ラインセンサにより検出された光量分布
において対象物の表面反射によるピークを光量レベルに
基づいて識別し、識別された表面反射によるピークの位
置と対象物の裏面反射によるピークの位置との差に基づ
いて表面反射によるピークの重心位置の計算のための情
報を算出し、プリフォーカス動作およびオートフォーカ
ス時に、算出された情報に基づいて表面反射によるピー
クの重心位置を求め、重心位置がラインセンサの複数の
画素上で予め設定された目標焦点位置に一致するように
保持手段を対象物の表面に対してほぼ垂直方向に移動さ
せるものである。

【００３５】第４の発明に係る自動焦点制御方法におい
ては、ラインセンサの複数の画素上に設定する目標焦点
位置を調整することにより光学系の焦点を合わせる位置
を調整することができるので、機械的な調整が必要な
い。

【００３６】また、目標焦点位置をラインセンサの複数
の画素の範囲内で任意に変更することができるので、目
標焦点位置の設定範囲が広くなる。また、対象物の反射
率が異なってもラインセンサにより検出される反射光の
光量分布のピークの重心位置は異ならないので、反射率
の値にかかわらず同じ安定度で焦点合わせを行うことが
できる。

【００３７】さらに、ラインセンサにより検出される反
射光の光量レベルに基づいて対象物の表面反射によるピ
ークが識別され、識別された表面反射によるピークの位
置と裏面反射によるピークの位置との差に基づいて表面
反射によるピークの重心位置が算出されるので、ライン
センサへの裏面反射による光の入射の有無にかかわらず
同じ安定度で焦点合わせを行うことができる。また、ラ
インセンサへの裏面反射による光の入射を避ける必要が
ないので、広範囲の焦点合わせが可能となる。

【００３８】（５）第５の発明 第５の発明に係る自動焦点制御装置は、光学系、光源、
ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサ、保持手段、移
動手段、移動制御手段および光源制御手段を備える。

【００３９】光学系は、対象物の表面に光を集束させ
る。光源は、対象物に光を照射する。ＣＣＤイメージセ
ンサは、直線状に配列された複数の画素を有し、光源に
より照射されて対象物で反射された光の光量分布を蓄積
電荷として検出して出力する。保持手段は、光学系、光
源およびＣＣＤイメージセンサを保持する。移動手段
は、保持手段を対象物の表面に対してほぼ垂直方向に移
動させる。

【００４０】移動制御手段は、ＣＣＤイメージセンサに
より検出される光量分布のピークがＣＣＤイメージセン
サの複数の画素上で予め設定された目標焦点位置に一致
するように移動手段により保持手段を移動させる。光源
制御手段は、光源の点灯タイミングおよび光量を制御す
る。

【００４１】第５の発明に係る自動焦点制御装置におい
ては、光源により対象物に光が照射され、その反射光の
光量分布がＣＣＤイメージセンサにより検出される。ま
た、光源およびＣＣＤイメージセンサは光学系とともに
対象物の表面に対してほぼ垂直方向に移動される。

【００４２】ＣＣＤイメージセンサにより検出される光
量分布のピークがＣＣＤイメージセンサの複数の画素上
で予め設定された目標焦点位置に一致するように保持手
段が移動される。それにより、光学系の焦点を予め設定
された位置に合わせることができる。

【００４３】この自動焦点制御装置においては、光源の
点灯タイミングおよび光量が光源制御手段により制御さ
れるので、対象物の種類に応じて適切な条件で焦点合わ
せを行うことができる。

【００４４】（６）第６の発明 第６の発明に係る自動焦点制御装置は、第５の発明に係
る自動焦点制御装置の構成において、光源制御手段が、
光源をＣＣＤイメージセンサの蓄積電荷の読み出しタイ
ミングの直前または同時のタイミングで点灯させるもの
である。

【００４５】これにより、対象物の位置が変動しても高
い精度で焦点合わせを行うことができる。

【００４６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例における
自動焦点制御装置の構成を示すブロック図である。図１
の自動焦点制御装置は、プリント基板やリードフレーム
用のマスク等の感光媒体にレーザ光を用いてパターンを
描画するための描画装置に用いられる。

【００４７】図１において、描画ヘッド１は、光学系
２、レーザダイオード３および一次元ＣＣＤイメージセ
ンサ４を含む。光学系２は、描画ヘッド１に入射した描
画用レーザビームＬＢを感光媒体１００上に集光するた
めの対物レンズ５を有する。ここでは、感光媒体１００
がガラス乾板等の透光性媒体であるものとする。

【００４８】レーザダイオード３およびＣＣＤイメージ
センサ４は、光学系２の焦点を感光媒体１００の表面に
自動的に合わせるために用いられる。すなわち、レーザ
ダイオード３は、レーザビームＬＢ１をベース６上に支
持された感光媒体１００の方向へ出射する。ＣＣＤイメ
ージセンサ４は、感光媒体１００からのレーザビームＬ
Ｂ１の反射光を受光する。ＣＣＤイメージセンサ４の出
力信号の波形に基づいて後述する方法で自動焦点制御が
行われる。

【００４９】描画ヘッド１は、ボールねじ８を介してサ
ーボモータ７の回転軸に固定されている。それにより、
描画ヘッド１はＺ軸方向（鉛直方向）に移動可能となっ
ている。サーボモータ７はサーボドライバ９により駆動
される。初期状態では、描画ヘッド１はＺ軸原点Ｚ０に
位置する。

【００５０】一方、ＣＣＤ／ＬＤコントローラ１０は、
ＣＣＤイメージセンサ制御部（以下、ＣＣＤ制御部と呼
ぶ）１１、レーザダイオード制御部（以下、ＬＤ制御部
と呼ぶ）１２、Ａ／Ｄ変換器（アナログ・デジタル変換
器）１３および第１メモリ１４を含む。ＣＣＤ制御部１
１は、ＣＣＤイメージセンサ４の出力タイミングを制御
する。ＬＤ制御部１２は、レーザダイオード３の点灯タ
イミングおよび光量を制御する。Ａ／Ｄ変換器１３は、
ＣＣＤイメージセンサ４の出力信号（アナログ信号）を
出力データ（デジタルデータ）に変換する。第１メモリ
１４は、Ａ／Ｄ変換器１３により得られた出力データを
記憶する。

【００５１】メインコントローラ１５は、ＣＰＵ（中央
演算処理装置）１６、モータコントローラ１７および転
送制御部１８を含む。ＣＰＵ１６は、モータコントロー
ラ１７および転送制御部１８を制御するとともに、各種
演算処理を行う。モータコントローラ１７は、ＣＰＵ１
６からの指令に従ってサーボドライバ９を制御する。転
送制御部１８は、第２メモリ１９を含み、ＣＰＵ１６か
らの指令に従ってＣＣＤ／ＬＤコントローラ１０との間
でデータの転送を制御する。第２メモリ１９には第１メ
モリ１４から転送された出力データが記憶される。

【００５２】本実施例では、レーザダイオード３が光源
に相当し、ＣＣＤイメージセンサ４がラインセンサに相
当し、描画ヘッド１が保持手段に相当する。また、サー
ボモータ７が移動手段に相当し、ＣＰＵ１６が識別手
段、算出手段および移動制御手段を構成する。さらに、
ＬＤ制御部１２が光量調整手段および光源制御手段を構
成する。

【００５３】図２は描画ヘッド１およびＣＣＤ／ＬＤコ
ントローラ１０の主要部の構成を詳細に示すブロック図
である。タイミング制御部２０は、基準パルス信号ＲＰ
を発生し、ＣＣＤ制御部１１、ＬＤ制御部１２、Ａ／Ｄ
変換器１３および第１メモリ１４のタイミング制御を行
う。

【００５４】ＬＤ制御部１２は、パルス幅制御部１２１
および電圧制御部１２２を含む。パルス幅制御部１２１
は、基準パルス信号ＲＰに応答して指定された時間間隔
でレーザダイオード３の点灯時間を制御するパルス幅制
御信号ＰＣを発生する。電圧制御部１２２は、レーザダ
イオード３の駆動電圧を制御する駆動電圧制御信号ＶＣ
を発生する。レーザダイオード駆動回路（以下、ＬＤ駆
動回路と呼ぶ）３１は、パルス幅制御部１２１により発
生されたパルス幅制御信号ＰＣおよび電圧制御部１２２
により発生された駆動電圧制御信号ＶＣに基づいてレー
ザダイオード３を駆動するＬＤ駆動信号ＤＲを発生す
る。

【００５５】一方、ＣＣＤ制御部１１は、基準パルス信
号ＲＰに応答してＣＣＤイメージセンサ４にシフトパル
ス信号ＳＰおよび転送パルス信号ＴＲを与える。ＣＣＤ
イメージセンサ４は、ｐｉｎフォトダイオード４１、ア
ナログシフトレジスタ４２および増幅器４３を含む。ｐ
ｉｎフォトダイオード４１は、直線状に配列されたｎ個
の画素を有する。アナログシフトレジスタ４２はｐｉｎ
フォトダイオード４１のｎ個の画素に対応するｎ個のレ
ジスタを有する。

【００５６】ｐｉｎフォトダイオード４１のｎ個の画素
にそれぞれ蓄積された電荷は転送パルス信号ＴＲに応答
してアナログシフトレジスタ４２の対応するレジスタに
それぞれ転送される。アナログシフトレジスタ４２に転
送された電荷はシフトパルス信号ＳＰに応答して順次シ
フトされ、増幅器４３を介して出力信号（以下、ＣＣＤ
出力信号と呼ぶ）ＣＡとして順次読み出される。

【００５７】Ａ／Ｄ変換器１３は、ＣＣＤイメージセン
サ４から順次読み出されるＣＣＤ出力信号ＣＡをデジタ
ル信号に変換し、出力データ（以下、ＣＣＤ出力データ
と呼ぶ）ＣＤとして第１メモリ１４に与える。第１メモ
リ１４に記憶されたＣＣＤ出力データＣＤは図１のメイ
ンコントローラ１５の第２メモリ１９に転送される。

【００５８】感光媒体１００の位置が矢印１０１で示す
ように上下に変動すると、感光媒体１００からの反射光
ＯＬが入射するＣＣＤイメージセンサ４の画素位置が変
動する。したがって、反射光ＯＬが入射するＣＣＤイメ
ージセンサ４の画素位置に基づいて描画ヘッドと感光媒
体１００との間の距離Ｌを一定に保つことができる。

【００５９】ここで、図１の描画ヘッド１の対物レンズ
５の焦点が感光媒体１００の表面に合っているときに感
光媒体１００からの反射光が入射するＣＣＤイメージセ
ンサ４の画素位置を目標焦点位置として予め設定する。

【００６０】感光媒体１００が透光性材料からなる場合
には、図３に示すように、ＣＣＤイメージセンサ４には
感光媒体１００の表面による反射光ＯＬ１および裏面に
よる反射光ＯＬ２が入射する。そのため、ＣＣＤイメー
ジセンサ４からのＣＣＤ出力信号ＣＡには、図４に示す
ように、表面による反射光のピークＰＫ１および裏面に
よる反射光のピークＰＫ２が現れる。図３および図４に
おいて、矢印ＹはＣＣＤイメージセンサ４の読み出し方
向を表している。

【００６１】図３に示す表面による反射光ＯＬ１と裏面
による反射光ＯＬ２との間隔ｄ１は感光媒体１００の厚
みｄ２によって変化する。それにより、ＣＣＤイメージ
センサ４の画素位置における２つのピークＰＫ１，ＰＫ
２間の間隔ｄ３も感光媒体１００の厚みｄ２によって変
化する。

【００６２】図５および図６は本実施例の自動焦点制御
装置におけるプリフォーカス動作を示すフローチャート
である。また、図７はプリフォーカス動作におけるＣＣ
Ｄ出力データの変化を示す波形図である。プリフォーカ
ス動作は、描画装置により感光媒体１００にパターンを
描画する前に行う。

【００６３】以下、図５〜図７を参照しながら本実施例
の自動焦点制御装置におけるプリフォーカス動作を説明
する。ここでは、ＣＣＤイメージセンサ４の画素上に設
定された目標焦点位置をｏｐとする。

【００６４】まず、サーボモータ７により描画ヘッド１
をＺ軸原点Ｚ０に移動させる（図５のステップＳ１）。
Ｚ軸原点Ｚ０においては、レーザダイオード３からの入
射光に対する感光媒体１００の表面における反射光がＣ
ＣＤイメージセンサ４に入射しない。

【００６５】次に、サーボモータ７により描画ヘッド１
を距離Ｘ１［ｍｍ］下方へ移動させる（ステップＳ
２）。そして、ＣＰＵ１６がＣＣＤイメージセンサ４か
らのＣＣＤ出力データＣＤを読み込み、第１のピークＰ
Ｋ１のピーク値Ｐ１を求める（ステップＳ３）。その
後、求めたピーク値Ｐ１が所定のカットレベルＬ１を越
えているか否かを判別する（ステップＳ４）。ピーク値
Ｐ１がカットレベルＬ１を越えていない場合にはステッ
プＳ２に戻る。

【００６６】このようにして、描画ヘッド１を距離Ｘ１
［ｍｍ］ずつ下方へ移動させながらＣＣＤイメージセン
サ４のＣＣＤ出力データＣＤを読み込む動作を繰り返
す。図７（ａ）に示すように、第１のピークＰＫ１が
で示す状態からで示す状態に変化し、第１のピークＰ
Ｋ１のピーク値Ｐ１がカットレベルＬ１を越えると、第
１のピークＰＫ１を感光媒体１００の表面反射によるピ
ークとする（ステップＳ５）。

【００６７】その後、サーボモータ７により描画ヘッド
１を距離Ｘ２［ｍｍ］下方へ移動させる（ステップＳ
６）。ここで、Ｘ２＜Ｘ１である。このとき、ＣＣＤイ
メージセンサ４には、感光媒体１００の裏面による反射
光も入射する。この裏面による反射光のピークを第２の
ピークＰＫ２とする。

【００６８】ＣＰＵ１６は、ＣＣＤイメージセンサ４の
ＣＣＤ出力データＣＤを読み込み、第１のピークＰＫ１
のピーク位置ｐ１および第２のピークＰＫ２のピーク位
置ｐ２を求める（ステップＳ７）。そして、第１のピー
クＰＫ１のピーク位置ｐ１と目標焦点位置ｏｐとの差Δ
Ｐが負であるか否かを判別する（ステップＳ８）。

【００６９】第１のピークＰＫ１のピーク位置ｐ１と目
標焦点位置ｏｐとの差ΔＰが負でない場合には、ステッ
プＳ６に戻る。このようにして、描画ヘッド１を距離Ｘ
２ずつ順次移動させながらＣＣＤイメージセンサ４のＣ
ＣＤ出力データＣＤを読み込む動作を繰り返す。これに
より、図７（ｂ）に示すように、第１のピークＰＫ１お
よび第２のピークＰＫ２がで示す状態からで示す状
態まで変化する。

【００７０】第１のピークＰＫ１のピーク位置ｐ１と目
標焦点位置ｏｐとの差ΔＰが負になると（図７（ｂ）の
の状態）、第１のピークＰＫ１のピーク位置ｐ１と第
２のピークＰＫ２のピーク位置ｐ２との差Δｄを求め、
この差Δｄに基づいて第１のピークＰＫ１における重心
位置の計算に必要なパラメータを提供する（図６のステ
ップＳ９）。

【００７１】ここで、図８に具体的なパラメータの例を
示す。図８において、固定値ｄｘは第１のピークＰＫ１
のピーク位置ｐ１と第２のピークＰＫ２のピーク位置ｐ
２との差Δｄよりも小さい値である。計算開始位置ｓ１
および計算終了位置ｓ２は次式により求められる。

【００７２】ｓ１＝ｐ１−ｄｘ ｓ２＝ｐ１＋ｄｘ 計算開始位置ｓ１から計算終了位置ｓ２までの範囲Ｄが
重心位置の計算範囲となる。この範囲Ｄにおける第１の
ピークＰＫ１の面積を求めることにより第１のピークＰ
Ｋ１の重心位置ｗ１を計算する。

【００７３】ＣＰＵ１６は、第１のピークＰＫ１におけ
る重心位置ｗ１を計算した後（ステップＳ１０）、目標
焦点位置ｏｐと重心位置ｗ１との偏差に相当する描画ヘ
ッド１の移動距離を算出する（ステップＳ１１）。さら
に、算出された移動距離に相当するパルス数を算出し
（ステップＳ１２）、算出された数のパルスをモータコ
ントローラ１７に与える（ステップＳ１３）。それによ
り、図７（ｂ）にで示すように第１のピークＰＫ１の
重心位置ｗ１が目標焦点位置ｏｐに近づく方向に描画ヘ
ッド１が移動する。

【００７４】その後、ＣＰＵ１６は第１のピークＰＫ１
における重心位置ｗ１を計算する（ステップＳ１４）。
そして、目標焦点位置ｏｐと重心位置ｗ１との偏差が所
定の許容誤差εよりも小さいか否かを判別する（ステッ
プＳ１５）。偏差が許容誤差ε以上の場合にはエラーメ
ッセージを出力する。

【００７５】偏差が許容誤差εよりも小さい場合には、
レーザダイオード３の光量が感光媒体１００の反射率に
応じた指定の光量範囲内にあるようにレーザダイオード
３の自動光量調整を行う（ステップＳ１６）。例えば、
ＣＣＤイメージセンサ４のＣＣＤ出力信号ＣＡのピーク
電圧がＣＣＤイメージセンサ４の最大出力電圧の７０％
になるように、レーザダイオード３の光量を調整する。
この自動光量調整は、ＬＤ制御部１２の電圧制御部１２
２による駆動電圧制御信号ＶＣを調整することにより行
う。以上でプリフォーカス動作が終了する。

【００７６】図９は本実施例の自動焦点制御装置におけ
るオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
オートフォーカス動作は、描画装置により感光媒体１０
０にパターンを描画している間に行われる。以下、図９
を参照しながら本実施例の自動焦点制御装置におけるオ
ートフォーカス動作を説明する。

【００７７】図１のＣＰＵ１６には所定の入力手段（図
示せず）によりオートフォーカス指令信号が与えられ
る。まず、ＣＰＵ１６は、オートフォーカス指令信号が
オンであるかオフであるかを判別するオートフォーカス
動作確認を行う（ステップＳ２１）。オートフォーカス
指令信号がオフの場合には（ステップＳ２２）、オート
フォーカス指令信号がオンになるまで待機する。

【００７８】オートフォーカス指令信号がオンの場合に
は、ＣＣＤイメージセンサ４のＣＣＤ出力データＣＤを
読み込み、プリフォーカス動作で求めた重心位置の計算
に必要なパラメータに基づいてピークの重心位置を計算
する（ステップＳ２３）。

【００７９】次いで、目標焦点位置と重心位置との差を
計算し（ステップＳ２４）、位置の差に相当する描画ヘ
ッド１の移動距離を算出する（ステップＳ２５）。そし
て、算出された移動距離に相当するパルス数、移動速度
等のパラメータを算出し（ステップＳ２６）、そのパラ
メータをモータコントローラ１７に与える（ステップＳ
２７）。それにより、ピークの重心位置が目標焦点位置
に一致するようにサーボモータ７が描画ヘッド１を移動
させる。

【００８０】次に、レーザダイオード３の点灯タイミン
グ、点灯時間および光量の制御動作を説明する。図１０
はＣＣＤイメージセンサ４に与えられる転送パルス信号
ＴＲ、レーザダイオード３に与えられるＬＤ駆動信号Ｄ
ＲおよびＣＣＤイメージセンサ４からのＣＣＤ出力デー
タＣＤを示す波形図である。

【００８１】図１０（ａ）に示すように、転送パルス信
号ＴＲは一定周期の転送パルスＰＴを有する。この転送
パルスＰＴに応答して図２のｐｉｎフォトダイオード４
に蓄積された電荷がアナログシフトレジスタ４２に転送
される。その後、図２のシフトパルス信号ＳＰに応答し
てアナログシフトレジスタ４２からＣＣＤ出力信号ＣＡ
が読み出され、ＣＣＤ出力データＣＤに基づいてピーク
の重心位置が計算される。すなわち、転送パルスＰＴ間
の間隔がＣＣＤイメージセンサ４の検出周期となる。こ
の検出周期は、例えば数ｍ秒である。

【００８２】図１０（ｂ）に示すように、ＬＤ駆動信号
ＤＲは、レーザダイオード３を点灯させる駆動パルスＤ
Ｐを有する。駆動パルスＤＰのパルス幅ＰＷは図２のパ
ルス幅制御部１２１により制御される。また、駆動パル
スＤＰの電圧レベルＶＬは図２の電圧制御部１２２によ
り制御される。駆動パルスＤＰのパルス幅Ｗはレーザダ
イオード３の点灯時間に相当する。この点灯時間は、例
えば数μ秒〜数百μ秒である。

【００８３】本実施例の自動焦点制御装置では、図２の
タイミング制御部２０により駆動パルスＤＰの発生タイ
ミングを調整することができる。この駆動パルスＤＰ
は、転送パルス信号ＴＲの転送パルスＰＴにできるだけ
近いタイミングあるいは転送パルスＰＴと同じタイミン
グで発生されることが好ましい。この理由を以下に説明
する。

【００８４】図１１はＣＣＤイメージセンサ４に与えら
れる転送パルス信号ＴＲと感光媒体のＺ軸方向の位置と
の関係を示す図である。図１１（ａ）に示すように、転
送パルス信号ＴＲは転送パルスＰＴ１，ＰＴ２を有する
ものとする。また、図１１（ｂ）は感光媒体１００のＺ
軸方向の位置の変動を表す。ここでは、ＣＣＤイメージ
センサ４の検出周期で感光媒体１００のＺ軸方向の位置
がΔＬ変動するものとする。

【００８５】転送パルスＰＴ２から離れたタイミングＡ
でレーザダイオード３を点灯させた場合と転送パルスＰ
Ｔ２に近いタイミングＢでレーザダイオード３を点灯さ
せた場合とでは、感光媒体１００からの反射光が入射す
るＣＣＤイメージセンサ４の画素位置が異なってくる。

【００８６】タイミングＡとパルスＰＴ２との間での感
光媒体１００のＺ軸方向の位置の偏差Δａは、タイミン
グＢとパルスＰＴ２との間での感光媒体１００のＺ軸方
向の位置の偏差Δｂよりも大きくなる。したがって、レ
ーザダイオード３の点灯タイミングを転送パルス信号Ｔ
Ｒの転送パルスＰＴ２に近づけた方が偏差が小さくな
る。すなわち、図２のｐｉｎフォトダイオード４１の電
荷蓄積のタイミングとｐｉｎフォトダイオード４１から
アナログシフトレジスタ４２への電荷転送のタイミング
との時間的差異が小さくなり、ＣＣＤイメージセンサ４
への反射光の入射時点での感光媒体１００の位置と重心
位置の計算時点での感光媒体１００の位置とのずれが小
さくなる。

【００８７】次に、感光媒体１００からの反射光の光量
を調整する方法を説明する。図１２は駆動パルスＤＰの
パルス幅ＰＷと光量との関係を示す図である。また、図
１３は駆動パルスＤＰの電圧レベルＶＬと光量との関係
を示す図である。ここで、光量とはＣＣＤイメージセン
サ４において検出される反射光の量であり、ＣＣＤイメ
ージセンサ４の検出周期の単位時間当たりのレーザダイ
オード３の出射光のピーク値と時間幅との累積に比例す
る。

【００８８】図１２において、点線、実線および破線は
それぞれ駆動パルスＤＰの電圧レベルＶＬがそれぞれＶ
ａ、ＶｂおよびＶｃである場合の光量変化を示してい
る。ここで、Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃである。図１２から、駆
動パルスＤＰのパルス幅ＰＷが大きくなるにしたがって
光量も増加することがわかる。

【００８９】図１３において、点線、実線および破線は
それぞれ駆動パルスＤＰの電圧レベルＶＬがそれぞれＶ
ａ、ＶｂおよびＶｃである場合の光量分布を示してい
る。図１３から、駆動パルスＤＰの電圧レベルＶＬが高
くなるにつれて光量も増加することがわかる。

【００９０】このように、本実施例の自動焦点制御装置
では、駆動パルスＤＰのパルス幅ＰＷまたは駆動パルス
ＤＰの電圧レベルＶＬ（駆動パルスＤＰの振幅値）を変
化させることにより感光媒体１００からの反射光の光量
を調整することができる。したがって、感光媒体１００
の反射率の値やＣＣＤイメージセンサ４の感度に応じて
反射光の光量を調整することができる。

【００９１】駆動パルスＤＰのパルス幅ＰＷの可変範囲
はＣＣＤイメージセンサ４の検出周期以下であり、駆動
パルスＤＰの電圧レベルＶＬの可変範囲は駆動電圧制御
信号ＶＣの限界値以下である。これらは、感光媒体１０
０の反射率、制御系の許容誤差、制御系の安定性、レー
ザダイオード３の特性のばらつき等の種々の条件を考慮
して選択する。

【００９２】図１４はＬＤ駆動信号ＤＲの駆動パルスＤ
Ｐのパルス幅と光量分布との関係を示す図である。図１
４（ａ）は転送パルス信号ＴＲを示し、図１４（ｂ），
（ｃ）はＬＤ駆動信号ＤＲを示し、（ｂ）は駆動パルス
ＤＰのパルス幅が狭い場合を示し、（ｃ）は駆動パルス
ＤＰのパルス幅が広い場合を示す。また、図１４（ｄ）
は感光媒体１００のＺ軸方向の位置を示し、図１４
（ｅ）は（ｂ）および（ｃ）の駆動パルスＤＰに対応す
る光量分布を示している。

【００９３】図１４（ｂ），（ｄ）および（ｅ）からわ
かるように、駆動パルスＤＰのパルス幅を大きくする
と、光量が増加するがレーザダイオード３の点灯時間内
に感光媒体１００のＺ軸方向の位置がΔＡ変動し、光量
分布のピークの幅が広くなって重心位置もシフトする。
したがって、駆動パルスＤＰのパルス幅を大きくすると
測定精度が低下する。これに対して、駆動パルスＤＰの
パルス幅を小さくすると、レーザダイオード３の点灯時
間内に感光媒体１００のＺ軸方向の位置の変動量がΔＢ
と小さくなり、光量分布のピークの幅が狭くなって重心
位置のシフトも小さい。すなわち、レーザダイオード３
の点灯時間を短くするほど、感光媒体１００の上下移動
による検出誤差を小さくすることができる。

【００９４】したがって、感光媒体１００からの反射光
の光量を大きくし、かつ感光媒体１００の上下移動によ
る検出誤差を小さくする場合には、ＬＤ駆動信号ＤＲの
駆動パルスＤＰのパルス幅を固定して電圧レベル（駆動
パルスＤＰの振幅値）のみを変化させることが好まし
い。

【００９５】しかし、駆動パルスＤＰの電圧レベルのみ
の変化ではレーザダイオード３が安定して発振する範囲
でしか光量を可変できないため、数倍程度しか光量を可
変できない。一方、駆動パルスＤＰのパルス幅によって
光量を可変すると、例えば、１００ｎｓｅｃ単位で変化
させる場合、基準パルスＲＰの周期を５ｍｓｅｃとする
と、５００００倍可変できる。感光媒体の反射率の違い
を調整するには、通常、光量を１００倍程度変化させれ
ば十分なので、パルス幅を制御することで、検出精度に
は多少の影響が生じるが、必要な光量を得ることができ
る。

【００９６】本実施例の自動焦点制御装置では、レーザ
ダイオード３の点灯を駆動パルスＤＰにより制御してい
るので、駆動パルスＤＰのパルス幅または電圧レベルを
調整することによりレーザダイオード３から出射される
レーザビームによる感光媒体１００の感光をできるだけ
抑えることもできる。

【００９７】上記実施例では、対象物が透光性材料から
なる感光媒体である場合を説明したが、これに限定され
ず、本発明の自動焦点制御装置および自動焦点制御方法
は遮光性材料により形成された感光媒体、その他の種々
の対象物にも適用することができる。

【００９８】上記実施例では、光源としてレーザダイオ
ード３を用いているが、他の光源を用いてもよい。ま
た、上記実施例では、移動手段としてサーボモータ７を
用いているが、ステッピングモータ等の他の手段を用い
てもよい。

【００９９】なお、本発明に係る位置制御装置は、自動
焦点制御装置に限らず対象物に対する相対的な位置を制
御することが必要な種々の装置またはシステムに適用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における自動焦点制御装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】図１の自動焦点制御装置の主要部の構成を詳細
に示すブロック図である。

【図３】感光媒体の表面による反射光および裏面による
反射光を説明するための図である。

【図４】感光媒体の表面による反射光のピークおよび裏
面により反射光のピークを示す波形図である。

【図５】図１の自動焦点制御装置におけるプリフォーカ
ス動作を示すフローチャートである。

【図６】図１の自動焦点制御装置におけるプリフォーカ
ス動作を示すフローチャートである。

【図７】プリフォーカス動作におけるＣＣＤ出力データ
のピークの変化を示す波形図である。

【図８】重心位置の計算に必要なパラメータを説明する
ための図である。

【図９】図１の自動焦点制御装置におけるオートフォー
カス動作を示すフローチャートである。

【図１０】ＣＣＤイメージセンサに与えられる転送パル
ス信号、レーザダイオードに与えられるＬＤ駆動信号お
よびＣＣＤ出力データの波形図である。

【図１１】レーザダイオードの点灯タイミングと感光媒
体のＺ軸方向の位置のずれとの関係を説明するための図
である。

【図１２】ＬＤ駆動信号の駆動パルスのパルス幅と光量
との関係を示す図である。

【図１３】ＬＤ駆動信号の駆動パルスの電圧レベルと光
量との関係を示す波形図である。

【図１４】ＬＤ駆動信号の駆動パルスのパルス幅と光量
分布との関係を説明するための図である。

【図１５】従来の自動焦点制御装置の概略構成を示す図
である。

【符号の説明】

１ 描画ヘッド ２ 光学系 ３ レーザダイオード ４ ＣＣＤイメージセンサ ５ 対物レンズ ７ サーボモータ １０ ＣＣＤ／ＬＤコントローラ １１ ＣＣＤ制御部 １２ ＬＤ制御部 １４ 第１メモリ １５ メインコントローラ １６ ＣＰＵ １７ モータコントローラ １８ 転送制御部 １９ 第２メモリ １００ 感光媒体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 床並 雅宏 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物に対する相対的な位置を制御する
   位置制御装置であって、 前記対象物に光を照射する光源と、 直線状に配列された複数の画素を有し、前記対象物から
   の反射光の光量分布を検出するラインセンサと、 前記光源および前記ラインセンサを保持する保持手段
   と、 前記保持手段を前記対象物の表面に対してほぼ垂直方向
   に移動させる移動手段と、 前記ラインセンサにより検出された光量分布において前
   記対象物の表面反射によるピークを光量レベルに基づい
   て識別する識別手段と、 前記識別手段により識別された前記表面反射によるピー
   クの位置と前記対象物の裏面反射によるピークの位置と
   の差に基づいて前記表面反射によるピークの重心位置の
   計算のための情報を算出する算出手段と、 前記算出手段により算出された前記情報に基づいて前記
   表面反射によるピークの重心位置を求め、前記重心位置
   が前記ラインセンサの前記複数の画素上で予め設定され
   た目標位置に一致するように前記移動手段により前記保
   持手段を移動させる移動制御手段とを備えたことを特徴
   とする位置制御装置。
2. 【請求項２】 対象物の表面に光を集束させる光学系
   と、 前記対象物に光を照射する光源と、 直線状に配列された複数の画素を有し、前記光源により
   照射されて前記対象物で反射された光の光量分布を検出
   するラインセンサと、 前記光学系、前記光源および前記ラインセンサを保持す
   る保持手段と、 前記保持手段を前記対象物の表面に対してほぼ垂直方向
   に移動させる移動手段と、 プリフォーカス動作時に、前記ラインセンサにより検出
   された光量分布において前記対象物の表面反射によるピ
   ークを光量レベルに基づいて識別する識別手段と、 プリフォーカス動作時に、前記識別手段により識別され
   た前記表面反射によるピークの位置と前記対象物の裏面
   反射によるピークの位置との差に基づいて前記表面反射
   によるピークの重心位置の計算のための情報を算出する
   算出手段と、 プリフォーカス動作およびオートフォーカス時に、前記
   算出手段により算出された前記情報に基づいて前記表面
   反射によるピークの重心位置を求め、前記重心位置が前
   記ラインセンサの前記複数の画素上で予め設定された目
   標焦点位置に一致するように前記移動手段により前記保
   持手段を移動させる移動制御手段とを備えたことを特徴
   とする自動焦点制御装置。
3. 【請求項３】 前記重心位置が前記目標焦点位置に一致
   したときに、前記対象物の反射率に応じて前記光源の光
   量を調整する光量調整手段をさらに備えたことを特徴と
   する請求項２記載の自動焦点制御装置。
4. 【請求項４】 対象物の表面に光を集束させる光学系の
   焦点合わせを行う自動焦点制御方法であって、 前記対象物に光を照射する光源および前記光源により照
   射されて前記対象物で反射された光の光量分布を検出す
   るラインセンサを前記光学系とともに保持し、 プリフォーカス動作時に、前記ラインセンサにより検出
   された光量分布において前記対象物の表面反射によるピ
   ークを光量レベルに基づいて識別し、前記識別された表
   面反射によるピークの位置と前記対象物の裏面反射によ
   るピークの位置との差に基づいて前記表面反射によるピ
   ークの重心位置の計算のための情報を算出し、 プリフォーカス動作およびオートフォーカス時に、前記
   算出された前記情報に基づいて前記表面反射によるピー
   クの重心位置を求め、前記重心位置が前記ラインセンサ
   の前記複数の画素上で予め設定された目標焦点位置に一
   致するように前記保持手段を前記対象物の表面に対して
   ほぼ垂直方向に移動させることを特徴とする自動焦点制
   御方法。
5. 【請求項５】 対象物の表面に光を集束させる光学系
   と、 前記対象物に光を照射する光源と、 直線状に配列された複数の画素を有し、前記光源により
   照射されて前記対象物で反射された光の光量分布を蓄積
   電荷として検出して出力するＣＣＤイメージセンサと、 前記光学系、前記光源および前記ＣＣＤイメージセンサ
   を保持する保持手段と、 前記保持手段を前記対象物の表面に対してほぼ垂直方向
   に移動させる移動手段と、 前記ＣＣＤイメージセンサにより検出される光量分布の
   ピークがＣＣＤイメージセンサの前記複数の画素上で予
   め設定された目標焦点位置に一致するように前記移動手
   段により前記保持手段を移動させる移動制御手段と、 前記光源の点灯タイミングおよび光量を制御する光源制
   御手段とを備えたことを特徴とする自動焦点制御装置。
6. 【請求項６】 前記光源制御手段は、前記光源を前記Ｃ
   ＣＤイメージセンサの蓄積電荷の読み出しタイミングの
   直前または同時のタイミングで点灯させることを特徴と
   する請求項５記載の自動焦点制御装置。