JPS63292004A - 位置検出方法 - 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）　。

この発明は光学的に被計測物体の空間的な位置座標を計
測する位置検出方法に関する。

（従来の技術とその問題点） 光学的に被計測物体の空間的な位置座標を計測する位置
検出方法としては、電子的な走査によるテレビジョン用
撮像管や固体撮像素子（ＣＯＤ）などのイメージデバイ
スによるもの、ミラー、レティクルなどの機械的走査に
よるものなど、基本的には画像の走査技術に立脚した方
法がほとんどであった。このような走査方式による場合
、計測のサンプリンブレ、−トが走査速度により決定さ
れν１限される欠点がある。

ポジションセンサヘッドによる方法はこのような走査を
行なわずに、光点の位置を２次元的にあ′るいは１次元
的に検出する方法である。検出器としては半導体装置検
出器（以下、ｒ　Ｐ　Ｓ　Ｄ、　Ｊと言う。）を用いて
いる。このＰＳＤはシリコンホトダイオードを応用し−
だ光検出素子で、走査の必要がないため応答速度が速く
、しかも非分割のため連続した位置検出が行なえ、高速
で移動する光点の動きも高精度で検出できる。

第７図はＰＳＤの断面図である。同図に示すように高抵
抗な平板上シリコン１の表面にＰ型紙抗層２．１面にＮ
＋層３、中間に空乏層４が構成されている。Ｐ型紙抗層
２は均一な抵抗層であり、その両端□に信号取り出し用
の一対の電極Ａ、Ｂを設けている。また、シリコン１の
表面層はＰＮ接合をも形成しており、光電効果により光
生成電流Ｉｏを生成する。

以下、位置検出の原理を説明する。今、電極Ａ。

８間の距離を２１．Ｐ型紙抗層２の抵抗値を２Ｒ１とし
、両電極Ａ、Ｂの中点を原点と設定し、原点より電ｉＢ
側にＸの位置に光が入射した時の原点から地点Ｘまでの
抵抗値をＲｘとする。光の入射位置Ｘで発生した光生成
電流■。は、各々の電極Ａ、Ｂまでの抵抗値に逆比例す
るように分割され、Ｎ極Ａ、Ｂで取り出される電流１　
．１　　はＢ 各々次式のように求められる。

Ｐ型紙抗層２は均一であり、長さと抵抗値が比例すると
すれば（１）式は、 −ｘ ＩＡ＝ＩＯ°　２Ｌ Ｌ＋ｘ １８＝Ｉｏ　・ ２Ｌ　　　　　　　　　　　　・・・（１２）で表わさ
れる。ここで測定電流の比として、（Ｉ−Ｉ　　）／（
１，＋Ｉ８）を求めると（１２）式より　　　　＾ す ＩＡ＋ＩＢ　　　　Ｌ　　　　　　　　　・・・（１３
）となり、入射位置Ｘが光生成電流Ｉ。とは関係なく、
電極Ａ、８を流れる電流Ｉ、ＩＢを検出することで求ま
る。以上がＰＳＤの原理である。

しかしながら、ＰＳＤによる方法でも応答速度が数十Ｋ
Ｈｚ程度であり、例えば磁気ディスク・サブストレート
などの被検査体の表面疵検査や表面形状検査の高速化に
は対応しきれないという問題点があった。また、ＰＳＤ
、ＣＯＤ等の位置分解能はせいぜい数千弁の１であり、
例えばサブミクロンオーダの超微細量を検出する場合、
レンジの調整が必要となり、誤差も生じやすいという問
題点があった。

（発明の目的） この発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、応
答速度が極めて高速で、かつ高い分解能が得られる位置
検出方法を簡単な装置構成により実現することである。

（目的を達成するための手段） 上記目的を達成するため、この発明による位置検出方法
は、入射光に対し透過率が所定方向に単調に増加する光
学フィルタをその経路上に配置し、前記光学フィルタ通
過前、通過後における前記入射光の光強度を比較するこ
とで、前記入射光の位置座標を検出するようにしている
。

（実施例） Ａ１発明の原理 通常、ビーム光りは第１図（ａ）で示すガウス分布形の
強度分布ｉ　（ｘ）をもっている。このビーム光りが、
同図（ｂ）に示すような長さｌ２幅Ｗ。

厚さｔの外形寸法をもった光学フィルタ５の一端５ａか
ら距離Ｘ１の位置に入射した時の状態を考えてみる。こ
こで光学フィルタ５は次（１）式に示すような透過率を
持っているとする。

Ｔ（ｘ）＝ｋｘ　　　　　　　　　　　・・・（１）（
ｋ：定数　　Ｘ：光学フィルタの一端５ａから矢印で示
した方向への距離） この時、光学フィルタ５を通過したビーム光り一方、ビ
ーム光りの入射位ＭＸ１は、第１図（ａ）より明らかな
ように分布の平均位置マとなるため、次（３）式により
決定する。

また、ビーム光りの光学フィルタ５通過前の光ビである
。

上記（１）〜（４）式により、ビーム光りの入射位置×
１は次（５）式で決定できる。

１■ つまり、光学フィルタ５通過前のビーム光りの光強度Ｉ
。と通過後のビーム光りの光強度■を求めることにより
、ビーム光りの入射位ｌｘ１を求めることができる。

Ｂ、実施例の構成と動作 第２図はこの発明の一実施例で用いられる位置検出装置
の概略構成図である。同図において光源６より所定の角
度で被検査体７の表面にビーム光りが照射される。ビー
ム光しは被検査体７の表面の凹凸によって反射光Ｒの方
向が変化する。この反射光Ｒの方向は、反射光Ｒの光学
フィルタ５への入射位置を検知することで求めることが
できる。

上述した反射光Ｒはビームスプリッタ８に入射し、この
ビームスプリッタ８で２分割され、一方の分割反射光Ｒ
１は光学フィルタ５を通過して受光素子９に入射し、他
方の分割反射光Ｒ２は受光素子１０に入射する。それぞ
れの受光素子９，１０で検出された光強度検出値８１．
８２は次段の演算回路１１へ送られる。

ここで、光学フィルタ５は、透過率Ｔ（Ｘ）が（１）式
の特性のものを採用している。反射光Ｒの光強度を１・
とすると、分割反射光Ｒ，Ｒ２の光強度は各々（１／、
２　）　Ｉ　、となり双方レンジは同■ −であるから、受光素子９．１０の光強度検出値８１．
８２の比は光学フィルタ５の通過後および通過前の光ビ
ーム強度１．Ｉｏの比に等しくなる。

したがって（５）式に基づき、演算回路１１で（１／ｋ
）・（Ｓ１／Ｓ２）を演算することにより、入射位置×
１を求めることができる。

このような位置検出方法による位置検出の応答性は受光
素子９，１０の応答速度に依存する。従ってｎｓレベル
の応答速度を有するフォトマル（光電子増倍管）を用い
ることにより、極めて高い応答速度を得ることが可能と
なる。またフォトマルのダイナミックレンジは１０４〜
１０５と高いため、検出分解能も同時に高めることがで
きる。

また、受光素子９，１０としてホトダイオード等を用い
ることで安価で適度な応答速度１位置分解能を得ること
も考えられる。

Ｃ，イの・　例の構　と動作 第３図は、この発明を二次元の位置検出に用いた場合の
構成説明図である。第２図で示した被検査体７表面での
反射光Ｒはビームスプリッタ１２に入射し２分割される
。分割された一方の反射光Ｒ２は受光素子１３に入射す
る。一方、分割されたもう一方の反射光Ｒ１は再びビー
ムスプリッタ１４に入射し２分割される。結果として４
分割された反射光Ｒ１ｘは光学フィルタ５ａを通過し、
受光素子１５に入射する。一方、４分割された反射光Ｒ
１，は光学フィルタ５ｂを通過し受光素子１６に入射す
る。これらの受光素子１３．１５．１６の検出値Ｓ２．
Ｓｌ　　、Ｓｌ、が次段の演算回路へ送られる。

ここで、光学フィルタ５ａは所定平面上におけるＸ方向
の位置検出を行なうために、Ｘ方向に透過率が（１）式
を満足するように配置し、光学フィルタ５ｂはｙ方向の
位置検出を行なうために、ｙ方向に透過率が（１）式を
満足するように配置する。

従って検出値８１　．８２によりＸ方向の入射位ｌｘが
、検出値Ｓ１　　、Ｓ２よりｙ方向の入射位■ ＠ｙを、演算回路にて求めることができる。ただし、検
出値Ｓ２と検出値Ｓ１　　（３１，）のレンジは異なっ
ている（ビームスプリッタでの分割回数が異なっている
）ことよりレンジを合せるため、■ｏ＝８２／２．１＝
８１　　（３１，）として、（５）式に代入することで
次式に示す如く入射位置Ｘ。

ｙが各々求められる。

ｋ　　８２　　　　　　　　　　　　・・・（６）ｋ　
　Ｓ２　　　　　　　　　　　　・・・（７）第４図は
第２図の実施例で用いられる位置検出装置を簡素化した
装置の概略構成図である。これは第２図においてビーム
スプリッタ８．受光素子１０を取り除いた構成となって
いる。この構成は光源６から照射されるビーム光りの光
強度が一定しており、被検査体７の表面における反射率
が一定という前提に基づき成立する。なぜなら、光源６
より照射されるビーム光りの光強度（予め設定しておけ
る）より反射光Ｒの光強度を求めることが可能であるか
らである。したがって上記した前提条件が成立していれ
ば、第２図で示した装置より簡単な構成で同様の効果を
奏する。

Ｄ、受光素子の受光感度調整 第５図、第６図は各々ビーム光の入射位置によって受光
感度が異なる受光素子を用いた場合の対策を示す説明図
である。第１の対策は第５図に示す如く光学フィルタ５
と受光素子１７間に集光レンズ１８を挿入し、受光素子
面１７ａの定点で受光する構成にする方法である。また
、第２の対策として第６図に示す如く光学フィルタ５と
受光素子１９間に拡散板２０を挿入し、受光素子面１９
ａで均一に受光できる構成する方法がある。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、透過率が所定
方向に単調に増加する光学フィルタの通過前、通過後の
入射光の光強度を比較することで、入射光の入射位置を
検出できるようにしたため、受光素子に高感度、高速応
答性のものを用いることにより、応答速度が極めて高速
で、かつ高分解能な位置検出が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はビーム光の光強度分布を示したグラフ、
第１図（ｂ）は光学フィルタの構成説明図、第２図はこ
の発明の一実施例に用いられる位置検出装置の概略構成
図、第３図、第４図はこの発明の他の実施例に用いられ
る位置検出装置の概略構成図、第５図、第６図は入射位
置により受光感度が異なる受光素子の対策を示した説明
図、第７図はＰＳＤの断面図である。 ５．５ａ、５ｂ・・・光学フィルタ、 ９．１０．１３，１５，１６．１７．１９・・・受光素
子、 １１・・・演算回路、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ、Ｒ・・・反射光 １ｘ　　　１ｙ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射光に対し透過率が所定方向に単調に増加する
   光学フィルタをその経路上に配置し、前記光学フィルタ
   通過前、通過後における前記入射光の光強度を比較する
   ことで、前記入射光の位置座標を検出するようにしたこ
   とを特徴とする位置検出方法。