JPH11326040A - 広発散光学系を有するセンサ―と検出装置 - Google Patents

広発散光学系を有するセンサ―と検出装置

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JPH11326040A
JPH11326040A JP11110589A JP11058999A JPH11326040A JP H11326040 A JPH11326040 A JP H11326040A JP 11110589 A JP11110589 A JP 11110589A JP 11058999 A JP11058999 A JP 11058999A JP H11326040 A JPH11326040 A JP H11326040A
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JP
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light
sensor
light beam
transmitter
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JP11110589A
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Surney Mark
サーニー マーク
Bartaneck Sarney Hans
バータネックマーク サーニー ハンス
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Hama Laboratories Inc
Original Assignee
Hama Laboratories Inc
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Publication date
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S414/00—Material or article handling
    • Y10S414/135—Associated with semiconductor wafer handling
    • Y10S414/136—Associated with semiconductor wafer handling including wafer orienting means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は検出角度範囲を改
良したセンサー及び検出装置を提供することにある。 【解決手段】 センサー及び検出装置が含まれ
る。センサーは、少なくとも１本の光ビームを検出され
るべき物体の方へ放射するための関連した光学素子を有
する少なくとも１つのトランスミッターを包含する。少
なくとも１つの受光器が、物体の縁から反射された光を
受けるためにトランスミッターに隣接して配置される。
受光器は反射光に反応した信号を発生する。トランスミ
ッターの関連した光学素子は、一方の平面内に合焦した
光を放射するための集光レンズと、反射光の一部が、発
散し、かつ広い検知角度範囲に亘って受光器によって受
光されるように、他方の平面内に発散光を放射するため
の円柱レンズとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】発明は、一般に、表面の存
在、或いは表面の位置を検出するためのセンサー及び検
出装置に関し、そして特に、検知角度範囲の角度を増加
させるために広発散光学系を有するセンサー及び検出装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】センサーは様々な目的のために使用され
る。１つの有用な目的は、物体の存在を検出するための
検出装置である。特に、物体の縁、或いは小さな鏡面を
有する物体の検出が難しいことが知られている。この問
題を解決するセンサー及び検出装置、並びに方法が、譲
受人が所有する、ここに援用される米国特許第5,504,34
5号に教示されている。第'345号特許は、集光する双光
ビーム光学センサーを有する半導体ウエハー及び磁気デ
ィスク縁検出装置を開示している。センサーは、少なく
とも２つの光源と、少なくとも２つの光検出器とを有す
る。光源或いは光源から放射される光ビームは、集光ビ
ームの焦点が焦点或いは検査平面を画定し、センサー外
部の単一の点に集光するように空間的に方向決めされ
る。物体がビームを、光源の焦点で、或いは焦点付近で
遮ったとき、光を、光検出器によるセンサーの方へ戻り
反射される。光検出器は、反射光を受けられるように空
間的に配置されている。
【０００３】第'345号特許は非常に有用な装置を教示す
る、しかしながら、センサーの検知角度範囲を増加させ
ることが有用である。光が物体を照らし、後方へ反射さ
せられたとき、反射光の回帰経路に関する一定の角度が
存在する。光が、光検出器から離れた周辺に反射される
ことも有り得る。これは光が検出されない”ブラインド
スポット”を生ずる。従って、改良された検知範囲を表
し、かつブラインドスポットを実質的に除去するセンサ
ー及び検出装置を提供することが望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】それ故に、本発明の目
的は検知角度範囲を改良したセンサー及び検出装置を提
供することにある。もっと具体的には、本発明の目的は
広発散光学系を有するセンサー及び検出装置を提供する
ことにある。
【０００５】本発明の他の目的は、物体の縁、特に、小
さな鏡面或いは反射面を有する物体の縁を検出すること
ができるセンサー及び検出装置を提供することにある。
なお、本発明の他の目的は、縁が受光器への理想的な反
射を生じる位置から大きく外れた入射角にある物体の縁
を検出することができるセンサー及び検出装置を提供す
ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】これらの目的及び他の目
的、発明の特徴及び利点は、検出されるべき物体の方に
少なくとも１本の光ビームを放射するための関連した光
学素子を有する少なくとも１つのトランスミッターを包
含する本発明のセンサー及び検出装置によって達成され
る。前記物体が１本の光ビームを横切ったとき、前記物
体の縁から反射した光を受けるために、少なくとも１つ
の受光器が、トランスミッターに隣接して配置される。
受光器は反射光に反応して信号を発生する。トランスミ
ッターの関連した光学素子は、１つの平面内に合焦した
光ビームを放射するための集光レンズと、反射光の一部
が、発散し、かつ広い検知角度範囲に亘って受光器によ
って受光されるような、垂直な面内に発散光ビームを放
射するための円柱レンズとを有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の別の実施形態では、上記
のようなセンサーを包含し、物体と少なくとも１つのト
ランスミッターとの間の相対運動を起こさせるための手
段と、信号に反応して近接データ及び位置データを得る
ための位置エンコーダーとを有し、それにより物体を検
出する検出装置が提供される。
【０００８】
【実施例】同じ構成要素が同じ参照番号で指示されてい
る図面を参照して、図１及び２は、本発明のセンサー及
び検出装置の２枚の図である。図１は、ハウジング１０
を包含するセンサー５を示し、ハウジング１０は少なく
とも１つのトランスミッター１２と、少なくとも１つの
受光器１４とを有する。トランスミッター１２及び受光
器１４は、センサーハウジング１０内で、互いに間隔を
隔てられ、プリント回路基板（図示せず）に取付けられ
る。
【０００９】トランスミッター１２は、検出すべき物体
１８の方に向けられた光１６を放射する。光は物体１８
において反射して受光器１４の方へ戻る。受光器１４は
光検出器であり、反射光１７を受けるためにトランスミ
ッターから間隔を隔てられている。複数の受光器及びト
ランスミッターを使用しても良いが、しかしながら、本
発明は又、トランスミッター及び受光器のただ１つの対
を使用して、正確な検出及び測定の範囲を増加させられ
ることが重要である。又、複数のトランスミッター及び
受光器の配置は変化させても良い。例えば、２つのトラ
ンスミッターを直接隣り合わせて配置し、受光器を各ト
ランスミッターの他の側に配置しても良い。別の例で
は、トランスミッターと受光器を交互に（受光器、トラ
ンスミッター、受光器、等々、のように）配置しても良
い。好ましい実施形態では、センサーは、交互に配置さ
れた、３つの受光器と２つのトランスミッターとを有す
る。
【００１０】センサーが特殊な光学的配置を採用するこ
との特別な利点は、より大きな検知角度範囲に亘って物
体の検出を行えることである。即ち、センサーは、大き
く湾曲した表面或いは鏡面を有する物体、及び／又は、
受光器への理想的な反射を生じる位置から大きく外れた
角度方向に存在する物体を検出できる。直射的、即ち理
想的な反射を図３に示す。図３では、反射光の最大可能
量が受光器１４によって受光されている。本発明の光学
的な配置は、図２を参照してより詳細に示される。トラ
ンスミッター１２は光源及び関連した光学系を有する。
光源２０は光ビーム２１を放射する。好ましくは、光源
２０は、レーザードライバー回路と少なくとも１つのレ
ーザー（双方図示せず）とを有するレーザー装置であ
る。光源２０から放射する光２１は収光レンズ２２に投
射される。集光レンズ２２は光を合焦させる。特別な利
点として、光が収光レンズ２２を通過した後、光は円柱
レンズ２４に向けられる。本発明によれば、円柱レンズ
は１つの平面内だけに光を発散させる発散レンズであ
る。説明のために、この平面を水平面、即ちｘ軸平面と
定義する。例えば、検出すべき物体を平行面の間に位置
するようにした場合、この水平面は、前記平行面と平行
である。垂直な平面、即ち、鉛直面、即ちｙ軸平面で
は、光は影響を受けず、発散させられず、合焦したまま
になる。かくして、トランスミッターを出た光は一方の
平面内で発散し、他方の平面（即ち垂直な平面）内で合
焦する。好ましくは、円柱レンズは、負の平面−円柱面
レンズである。
【００１１】水平面内の発散光は、広い検知角度範囲を
与える。即ち、光が物体を照らしたとき、光はセンサー
の方に反射される。光が受光器の領域に反射するなら
ば、光は受光器によって検出され、次に検出及び位置測
定が行われる。しかしながら、物体が高度な鏡面、及び
／又は、湾曲面であるか、或いは、物体が傾斜している
ならば、センサーの方へ戻り反射されるべき光が受光器
から離れた領域に入り、従って反射光は検出されない。
受光器による検出範囲を増加させるために、本発明では
発散した光ビームを採用している。光ビームは１つの面
内に発散させられるので、幅の広い光ビームが物体を照
らし、これは、センサーに戻る反射光をより幅の広い光
ビームにする。換言すれば、１つの面、即ち、水平面即
ち物体に平行な面内において光は発散させられ、光が物
体を照らしたときは、物体が傾斜している場合であって
も、光のいくらかの部分は受光器で受光される。これに
よって、反射光が受光器を外れて戻るかもしれないとい
う潜在的な問題を回避する。この反射光の幅広い光ビー
ムは、反射光が受光器１４の１つによって検出される範
囲を増加させる。反射光は、入ってくる光、即ち入射光
と同じ角度で、受光器の方に反射される。
【００１２】鉛直平面、即ちｙ軸平面内では、トランス
ミッター１２からの光は、合焦させられ、かつ光源から
の合焦光ビームが、センサー５の外部の単一焦点（平面
図には図示せず）に集光するように、空間的に方向決め
される。この焦点は検査平面を画定する。検出すべき物
体１８が、光源の焦点で或いは焦点の近くで光ビームを
遮ったとき、光は受光器１４によって検出するためのセ
ンサーの方へ戻り反射される。受光器１４は、在来のデ
ジタル信号処理技術によって、受けた光から信号を発生
し、次にこの信号は、物体の検出、物体の位置等の検出
のために使用される。従って、本発明は、一方の平面即
ち一方の軸線においては、受光器に広角度に亘って物体
を”見させる”発散光ビームがあり、同時に、他方の面
内即ち他方の軸線内においては、光ビームを合焦させ
て、物体の正確な検出を助ける、センサー及び検出装置
を提供することがわかる。
【００１３】図４は、光を合焦させるセンサーの側面図
を示す。図示するように、光ビームは、この面内即ち軸
線内において、物体の正確な検出をするために合焦させ
られる。発散光及び合焦光を用いることの利点は、図５
に更に示されている。図５は、半導体ウエハーのような
湾曲面或いは鏡面を有する物体１８を示す。光はセンサ
ー５から物体１８の方へ放射される。物体の面が光ビー
ムの中心線と同一線上にあるこの例では、光はセンサー
５へ直接反射される。しかしながら、本発明は物体の湾
曲した縁から反射した光も検出することができる。セン
サーから放射された広発散光はｘ軸方向に発散され、図
示するようにｘ軸の面内にある、物体の湾曲した面に沿
った様々な点で物体を照らす。次に、光はセンサーの受
光器の方へ戻り反射され、それにより広い検知角度範囲
を形成する。検知角度範囲は、合焦光ビームから反射さ
れた反射光の角度と比較して広いと考えられる。今、鉛
直面（即ち、垂直面即ちｙ軸）を見ると、センサーはこ
の面内の合焦光ビームを提供する。これは、センサーに
よる非常に正確な検出を促進する。例えば、物体１８の
上面及び底面の位置を検出するために、センサー及び合
焦光ビームを鉛直面内で移動させて、上面及び下面をつ
きとめる。かくして、水平面内の光は、広い検知角度範
囲に発散させられるが、光は鉛直面内に合焦させられ、
それにより正確な検出を行う。
【００１４】図６は、複数のトランスミッター及び受光
器を採用した発明の別の実施形態を示す。好ましくは、
センサーは、センサーの検知範囲を拡張するために交互
に配置された２つのトランスミッター１２及び３つの受
光器１４を有する。２又はそれ以上のトランスミッター
を用いるときは、各トランスミッターは合焦光ビームを
鉛直面内に放射し、これら集光した光ビームは、集光し
た光ビームの焦点が焦点平面即ち検査平面を画定し、か
つセンサーの外部で単一の点に集光するように間隔を隔
てられる。物体とセンサーの相対運動が起き、検出され
るべき物体が光を２つの光源の焦点で、或いは焦点付近
で遮ると、光は受光器によって検出するためのセンサー
の方へ戻り反射される。図示するように、光は、入って
くる光即ち入射光の角度と同じ角度φ１で反射される。
上述のように、受光器１４は次に、反射光に反応した信
号を発生し、これらの信号を処理して、検出データ及び
位置データを得る。
【００１５】本発明の別の実施形態では、検出装置が提
供される。図７には、検出装置の例が示されている。検
出装置は、好ましくはモーターアーム或いはロボットア
ームのような可動アーム３０に取付けられたセンサー５
を有する。センサー５は、検出されるべき及び／又は位
置決めされるべき物体１８の方に向けられ、可動アーム
３０によって物体の一端から他端に移動させられる。物
体１８はトレー３３に取付けられ、移動台或いはコンベ
ヤーのような移動手段３４に置かれても良い。光学エン
コーダー等のような符号化手段３２をセンサーに作動的
に結合する。符号化手段３２はセンサー５からの信号を
受け、所望のデータを発生する。符号化手段３２は、物
体１８の位置及び／又は場所を測定するために、技術分
野で既知の様々な符号化アルゴリズムを採用することが
できる。又、ロボットアームのような運搬装置３６を、
物体１８をキャリアー３３に及びキャリアー３３から運
搬するために、可動アームに取付けても良い。
【００１６】
【発明の効果】かくして、改良センサー及び改良検出装
置が提供された。以上の、発明の特定の実施形態の説明
は、図示及び説明の目的で与えられた。それらは、網羅
的なものではなく、或いは発明を開示された通りの形態
に限定するものでもなく、上記の教示に照らして明らか
に、多くの修正、実施形態及び変更が可能である。発明
の範囲は付属の請求項及びその均等物によって定められ
ることを意図している。
【図面の簡単な説明】
以上の目的及び他の目的、発明の特徴及び利点は、発明
の詳細な説明及び図面を参照することによって明らかに
なる。
【図１】図１は本発明の１つの実施形態によるセンサー
の一部分切断平面図である。
【図２】図２は、もっと詳細に本発明の光ビーム及び光
学系を示す概略図である。
【図３】図３は受光器への理想的な反射の場合を示すセ
ンサーの概略図である。
【図４】図４は本発明のセンサーの側面図である。
【図５】図５はｘ平面及びｙ平面内で物体の表面を照ら
す光を示した、本発明のセンサーによって検出されるべ
き物体の斜視側面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態によるセンサ
ーの一部分切断平面図であり、本発明のセンサーが、セ
ンサーの光ビームの中心線に対する直角から大きく外れ
た入射角にある物体を如何に検出できるかを示す。
【図７】図７は、本発明による検出装置の図である。
【符号の説明】
５ センサー １０ ハウジング １２ トランスミッター １４ 受光器 １６ 光 １７ 反射光 １８ 物体 ２０ 光源 ２２ 集光レンズ ２４ 円柱レンズ ３２ 符号化手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス バータネックマーク サーニー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94040 マウンテン ヴィュー コンチネ ンタル サークル 707−1235

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 検出されるべき物体の方に少なくとも１
    本の光ビームを放射するための関連した光学素子を有す
    る少なくとも１つのトランスミッターと、 前記物体が少なくとも１本の光ビームを横切ったとき、
    前記物体の縁から反射された光を受けて反射光に反応し
    た信号を発生する少なくとも１つの受光器と、を有し、 関連した光学素子が、１つの平面内に合焦した光ビーム
    を放射し、かつ、反射光の一部が発散して広い検知角度
    範囲に亘って受光器によって受光されるように、垂直な
    平面内に発散した光ビームを放射するためのレンズを含
    む、物体を検出するためのセンサー。
  2. 【請求項２】 レンズが集光レンズと円柱レンズとを包
    含する請求項１に記載のセンサー。
  3. 【請求項３】 円柱レンズが負のピアノ（piano）円柱
    レンズである請求項２に記載のセンサー。
  4. 【請求項４】 信号がデジタル信号処理によって処理さ
    れる請求項１に記載のセンサー。
  5. 【請求項５】 前記センサーが、２つのトランスミッタ
    ーと、３つの受光器とを有し、トランスミッターは間隔
    を隔てられ、前記受光器の１つは各トランスミッターの
    各側に配置されて、受光器は、何れかのトランスミッタ
    ーから放射されて、物体から反射された光を受ける、請
    求項１に記載のセンサー。
  6. 【請求項６】 物体が平行面の間に存在する請求項１に
    記載のセンサー。
  7. 【請求項７】 物体が、受光器への理想的な反射を生じ
    る位置から大きく外れた角度に存在する請求項１に記載
    のセンサー。
  8. 【請求項８】 物体と、少なくとも１つのトランスミッ
    ターとの間の相対運動をさせるための手段と、 前記信号に反応して、近接データ及び位置データを与え
    るための位置符号化手段と、を更に有する請求項１に記
    載のセンサー。
  9. 【請求項９】 物体と、少なくとも１つのトランスミッ
    ターとの間の相対運動をさせるための手段が、モーター
    アーム、ロボットアーム、コンベヤーベルト、移動台、
    ディスク指示装置、手動及びそれらの組み合わせ、のグ
    ループから選択される請求項８に記載のセンサー。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１本の光ビームを、検出さ
    れるべき物体の方に放射するための関連した光学素子を
    有する少なくとも１つのトランスミッターと、 物体と、少なくとも１つのトランスミッターとの間の相
    対運動をさせるための移動手段と、 前記物体が少なくとも１本の光ビームを横切ったとき、
    前記物体の縁から反射された光を受け、受けた光に対応
    した信号を発生する少なくとも１つの受光器と、 信号に応答した物体の位置情報を与えるための位置エン
    コーダーと、を包含し、 関連した光学素子が、１つの平面内に合焦した光ビーム
    を放射し、かつ、反射光の一部が発散して広い角度検知
    範囲に亘って受光器によって受光されるように、垂直な
    平面内に発散した光ビームを放射するためのレンズを含
    む、物体を検出するための検出装置。
  11. 【請求項１１】 レンズが集光レンズ及び円柱レンズを
    包含する請求項１０に記載の検出装置。
  12. 【請求項１２】 円柱レンズが負のピアノ円柱レンズで
    ある請求項１１に記載の検出装置。
  13. 【請求項１３】 信号が、物体の近接情報及び位置情報
    を得るための位置符号化手段と協同して、デジタル信号
    処理によって処理される請求項１０に記載の検出装置。
  14. 【請求項１４】 前記センサーが、２つのトランスミッ
    ターと、３つの受光器とを有し、トランスミッターは間
    隔を隔てられ、前記受光器の１つは各トランスミッター
    の各側に配置され、受光器は、何れかのトランスミッタ
    ーから放射され、物体から反射した光を受ける、請求項
    １０に記載の検出装置。
  15. 【請求項１５】 物体が平行面の間に存在する請求項１
    ０に記載の検出装置。
  16. 【請求項１６】 物体が、受光器への理想的な反射を生
    じる位置から大きく外れた角度に存在する請求項１０に
    記載の検出装置。
  17. 【請求項１７】 移動手段が、モーターアーム、ロボッ
    トアーム、コンベヤーベルト、移動台、ディスク指示装
    置、手動及びそれらの組み合わせ、のグループから選択
    される請求項１０に記載の検出装置。
  18. 【請求項１８】 少なくとも１本の光ビームを、検出さ
    れるべき物体の方に放射するための関連した光学素子を
    有する少なくとも１つのトランスミッターを包含し、前
    記少なくとも１本の光ビームは、検査平面を画定する１
    つの光学軸線内に発散し、第２の光学軸線内に合焦し、
    合焦光ビームは前記第２の光学軸線に沿った所定の位置
    で合焦させられ、 物体とトランスミッターとの間の相対運動をさせるため
    の移動手段と、 前記物体が検査平面を横切ったとき、前記物体の縁から
    反射された光を受け、受けた光に対応した信号を発生す
    るための少なくとも１つの受光器と、 信号に応答して物体の位置情報を得るための位置エンコ
    ーダーと、を包含し、 発散光ビームが物体を照らし、反射光の一部が発散して
    広い検知角度範囲に亘って受光器によって受光される、
    物体を検出するための検出装置。
JP11110589A 1998-04-24 1999-04-19 広発散光学系を有するセンサ―と検出装置 Pending JPH11326040A (ja)

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US09/066,645 US6130437A (en) 1998-04-24 1998-04-24 Sensor and detection system having wide diverging beam optics
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