検出装置
【課題】合焦精度を向上させる。
【解決手段】高感度のラインセンサ１６Ｂは、レーザ照明部１１により照明された対象物２の光点像の光量から得られる高輝度の受光データを取得し、低感度のラインセンサ１６Ａは、対象物２の光点像の光量から得られる低輝度の受光データを取得し、データ処理部１７は、正常時は、高感度のラインセンサ１６Ｂからの高輝度の受光データを選択し、高輝度の受光データを得るときのレーザ光が飽和した場合、低輝度の受光データを選択する。そして、検出部１８は、データ処理部１７により選択された受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態を検出することで、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。本発明は、例えば、対象物の断面形状を測定する測定装置に用いられる位置検出装置に適用することができる。
【解決手段】高感度のラインセンサ１６Ｂは、レーザ照明部１１により照明された対象物２の光点像の光量から得られる高輝度の受光データを取得し、低感度のラインセンサ１６Ａは、対象物２の光点像の光量から得られる低輝度の受光データを取得し、データ処理部１７は、正常時は、高感度のラインセンサ１６Ｂからの高輝度の受光データを選択し、高輝度の受光データを得るときのレーザ光が飽和した場合、低輝度の受光データを選択する。そして、検出部１８は、データ処理部１７により選択された受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態を検出することで、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。本発明は、例えば、対象物の断面形状を測定する測定装置に用いられる位置検出装置に適用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対象物の断面形状を測定する測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この種の測定装置においては、受光デバイスが設けられた鏡筒の垂直方向の位置を、対象物の表面に対して常に合焦状態となるように駆動制御し、その垂直方向の変位量から対象物の表面の高さを検出する。そして、対象物表面を走査しながら、垂直方向の変位量をサンプリングすることにより、対象物の表面の断面形状を検出する。
【０００４】
図８は、受光デバイスとしてラインセンサが設けられた場合の合焦時と非合焦時の受光の様子を示す図である。図８では、長方形の各マス目を１受光素子とする、複数の受光素子から構成されるラインセンサが模式的に表されている。
【０００５】
図８Ａに示すように、合焦時のレーザスポットＳは、その径が、小面積で、かつ高密度となるため、１受光素子の受光量は大きくなる。一方、図８Ｂに示すように、非合焦時のレーザスポットＳは、その径が、大面積で、かつ低密度となるため、１受光素子の受光量は非常に小さなものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−７２３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、合焦時と非合焦時とでは、レーザスポットＳの径の状態が変化するものであり、特に、１受光素子当たりの面積が小さい場合には、その変化による影響を顕著に受けやすくなる。
【０００８】
そのため、合焦時の光量に合わせてセンサ感度を設定した場合、非合焦時の光量が非常に小さくなるために、その光量を検出することができない。逆に、非合焦時の光量に合わせてセンサ感度を設定した場合、合焦時の光量が非常に大きくなるために、その光量が飽和してしまう場合がある。
【０００９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、合焦時と非合焦時における光量を確実に検出して、合焦精度を向上させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の検出装置は、対象物を照明する照明手段と、前記対象物からの反射光を集光して、前記対象物の光点像を結像させる結像光学系と、前記結像光学系により集光された前記対象物の光点像の合焦状態を検出する光検出手段と、前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記対象物の面位置を検出する位置検出手段とを備え、前記光検出手段は、前記反射光の光量から得られる高輝度のデータを取得するための高輝度対応部と、前記反射光の光量から得られる低輝度のデータを取得するための低輝度対応部を有し、前記位置検出手段は、前記高輝度対応部により取得された前記高輝度のデータ、又は前記低輝度対応部により取得された前記低輝度のデータに基づいて、前記対象物の面位置を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、合焦精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第１の構成）を示す図である。
【図２】ラインセンサにおける合焦時の受光データの例を示す図である。
【図３】ラインセンサにおける非合焦時の受光データの例を示す図である。
【図４】本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第２の構成）を示す図である。
【図５】ラインセンサの露光時間の切り替え動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第３の構成）を示す図である。
【図７】レーザ照明部の発光パワーの切り替え動作を示すタイミングチャートである。
【図８】ラインセンサにおける合焦時と非合焦時の受光の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第１の構成）を示す図である。
【００１５】
検出装置１は、レーザ照明部１１、ビームスプリッタ１２Ａ、１２Ｂ、レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、対物レンズ１５、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂ、データ処理部１７、検出部１８、及び観察光学系１９から構成される。
【００１６】
レーザ照明部１１は、例えば、所定の波長のレーザ光を出射するレーザダイオードから構成される。レーザ照明部１１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２Ａに入射される。
【００１７】
ビームスプリッタ１２Ａは、レーザ照明部１１からのレーザ光を透過し、透過したレーザ光は、レンズ１３により平行光とされる。そして、レンズ１３により集光されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１４に入射される。ダイクロイックミラー１４は、レーザ照明部１１から出射されるレーザ光の波長の周辺の光や、この波長よりも長波長の光を反射させる機能を有する。したがって、レンズ１３からのレーザ光は、ダイクロイックミラー１４により対物レンズ１５側に反射され、対物レンズ１５により対物レンズ１５の焦点位置に集光されて、対象物２の表面に照射される。
【００１８】
対象物２の表面に照射されて、反射したレーザ反射光は、対物レンズ１５により集光され、そのレーザ反射光の一部が、ダイクロイックミラー１４を透過して、観察光学系１９に導かれる。観察光学系１９は、ダイクロイックミラー１４を透過したレーザ反射光を撮像素子（不図示）に結像させて、撮像素子によって対象物２の像に対応する観察画像が取得される。この観察画像は、モニタ（不図示）に表示される。
【００１９】
一方、ダイクロイックミラー１４によりレンズ１３側に反射され、レンズ１３を通過したレーザ反射光は、ビームスプリッタ１２Ａの偏向面で反射される。このレーザ反射光の光路には、ビームスプリッタ１２Ｂが配置されており、ビームスプリッタ１２Ｂは、入射光の一部を透過させ、一部を反射させる機能を有している。図１の例の場合、透過光と反射光の強さがほぼ、１：１であるので、ビームスプリッタ１２Ｂは、ハーフミラーとして機能する。
【００２０】
ビームスプリッタ１２Ｂを透過したレーザ反射光の光路には、ラインセンサ１６Ａが配置され、ビームスプリッタ１２Ｂにより反射されたレーザ反射光の光路には、ラインセンサ１６Ｂが配置されている。ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂは、例えば、複数個のフォトダイオードによりそれぞれ構成され、各フォトダイオードは、受光量に比例した受光信号を出力する。なお、以下の説明では、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにより検出された受光信号を受光データと称して説明する。
【００２１】
ラインセンサ１６Ａは、強いレーザ反射光を受光できるように、その受光感度が調整された低感度のラインセンサである。ラインセンサ１６Ａは、ビームスプリッタ１２Ｂを透過したレーザ反射光を受光し、その光量に応じた受光データをデータ処理部１７に供給する。つまり、ラインセンサ１６Ａから出力される受光データは、低輝度の受光データとなる。
【００２２】
ラインセンサ１６Ｂは、微弱なレーザ反射光を受光できるように、その受光感度が調整された高感度のラインセンサである。ラインセンサ１６Ｂは、ビームスプリッタ１２Ｂにより反射されたレーザ反射光を受光し、その光量に応じた受光データをデータ処理部１７に供給する。つまり、ラインセンサ１６Ｂから出力される受光データは、高輝度の受光データとなる。
【００２３】
データ処理部１７には、低感度のラインセンサ１６Ａからの低輝度の受光データと、高感度のラインセンサ１６Ｂからの高輝度の受光データが、同期して入力される。データ処理部１７は、受光感度の異なる２つのラインセンサからの同期した受光データのうちの一方の受光データを選択して、検出部１８に供給する。
【００２４】
ここで、図２及び図３を参照して、データ処理部１７により行われる受光データの選択処理の詳細について説明する。なお、図２及び図３において、長方形の各マス目を１受光素子とするラインセンサ１６Ａ、１６Ｂが模式的に示され、さらに、それらのラインセンサ１６Ａ、１６Ｂを構成する各受光素子により受光される光量の波形が示されている。また、垂直方向の軸は図示されていないが、図中上にいくほど、受光素子により受光された光量、すなわち、受光データが大きくなるものとする。
【００２５】
図２に示すように、合焦時において、レーザ反射光によるレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにおける１受光素子当たりの受光量が大きくなるため、図２Ａの低感度のラインセンサ１６Ａでは、蓄積された光量に対応する受光データを取得することができる。それに対し、図２Ｂの高感度のラインセンサ１６Ｂでは、蓄積された光量が飽和（サチュレーション）して、飽和光量を超えた光量が、一定レベルになってしまう。
【００２６】
一方、図３に示すように、非合焦時において、レーザ反射光によるレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにおける１受光素子当たりの受光量が非常に小さくなるため、図３Ｂの高感度のラインセンサ１６Ｂでは、光量を蓄積して受光データを取得することができる。それに対し、図３Ａの低感度のラインセンサ１６Ａでは、非合焦時のレーザスポットＳ（光点像）の光量が非常に小さく、蓄積される光量が少ないため、正確な受光データを取得することができない。
【００２７】
そこで、データ処理部１７は、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂからの受光データのうち、通常は、高感度のラインセンサ１６Ｂからの受光データを選択して、検出部１８に供給する。また、データ処理部１７は、高感度のラインセンサ１６Ｂからの受光データが飽和した場合には、低感度のラインセンサ１６Ａからの受光データを選択して、検出部１８に供給するようにする。
【００２８】
これにより、非合焦時には、高感度のラインセンサ１６Ｂにより検出された高輝度の受光データが出力され、合焦時などの高輝度の受光データを得るときの光量が飽和した場合には、高感度のラインセンサ１６Ｂからの高輝度の受光データの替わりに、低感度のラインセンサ１６Ａにより検出された低輝度の受光データが出力される。
【００２９】
図１に戻り、検出部１８は、データ処理部１７からの受光データに基づいて、対象物２の表面の位置（面位置）を検出する。例えば、検出装置１を有する測定装置においては、対物レンズ１５と、対象物２の表面との距離を相対的に移動させるとともに、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにより対象物２の表面からのレーザ反射光の光量を検出し、低輝度の受光データに基づいて、その光量がピークになったときの対象物２の面位置をリニアエンコーダ等の面位置検出装置により検出することで、対象物２の面位置を検出することができる。
【００３０】
以上のように、第１の構成では、高輝度対応部としての高感度のラインセンサ１６Ｂにより得られる高輝度の受光データと、低輝度対応部としての低感度のラインセンサ１６Ａにより得られる低輝度の受光データが取得され、高輝度の受光データを得るとき光量が飽和したとき、低輝度の受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。その結果、例えば、検出装置１を有する測定装置では、対象物２の測定精度を向上させることができる。
【００３１】
なお、以上の説明では、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂの受光感度を異ならせる場合を例に説明したが、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂの受光感度を同一にして、ビームスプリッタ１２Ｂにより入射光の光量を分割して、レーザ反射光の強度を変化させるようにして、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂのそれぞれにより受光される光量を変化させるようにしてもよい。
【００３２】
図４は、本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第２の構成）を示す図である。
【００３３】
図４の検出装置１（第２の構成）では、図１の検出装置１（第１の構成）と同様の箇所には、同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００３４】
図４の検出装置１では、図１の検出装置１と比べて、受光感度の異なる２つのラインセンサ１６Ａ、１６Ｂの代わりに、１つのラインセンサ１６が設けられており、さらに、光路を２つに分ける必要がないので、ビームスプリッタ１２Ａ、１２Ｂの代わりに、１つのビームスプリッタ１２が設けられ、さらに、レーザ照明部１１とラインセンサ１６を制御する制御部２０が設けられている点が異なる。
【００３５】
すなわち、図４の検出装置１においては、レーザ照明部１１が、制御部２０の制御にしたがって、レーザ光を出射し、そのレーザ光が、ビームスプリッタ１２ないし対物レンズ１５を経由して、対象物２の表面に照射される。そして、対象物２の表面で反射したレーザ反射光は、対物レンズ１５ないしレンズ１３を経由して、ビームスプリッタ１２に入射される。ビームスプリッタ１２により反射されたレーザ反射光は、ラインセンサ１６により受光される。ラインセンサ１６は、制御部２０の制御にしたがって、ビームスプリッタ１２により反射されたレーザ反射光を受光し、その光量に応じた受光データをデータ処理部１７に供給する。
【００３６】
ここで、図５のタイミングチャートを参照して、図４の制御部２０により行われるレーザ照明部１１とラインセンサ１６の制御処理の詳細について説明する。
【００３７】
なお、図５においては、図５Ａから図５Ｃの順に、レーザ照明部１１から出射されるレーザ光の発光パワーを調整するための制御信号のレベルを示す「レーザ発光パワー」、ラインセンサ１６を構成する各受光素子のシャッタ開閉動作制御等により露光時間を調整するための制御信号のレベルを示す「シャッタ時間」、及びラインセンサ１６からの出力のレベルを示す「受光データ」のタイミングチャートがそれぞれ記述されている。つまり、「レーザ発光パワー」は、制御部２０からレーザ照明部１１に入力される制御信号、「シャッタ時間」は、制御部２０からラインセンサ１６に入力される制御信号をそれぞれ示している。また、図５において、時間の方向は、図中左から右に向かう方向とされている。さらに、垂直方向の軸は、図示されていないが、図中上にいくほど、電圧のレベルが高くなるものとする。
【００３８】
また、以下の説明では、レーザ照明部１１によりレーザ光を出射させるための電圧のレベルを、Ｈレベルと称し、レーザ光を出射させない電圧のレベルを、Ｌレベルと称する。また、ラインセンサ１６において、シャッタを開放させるための電圧のレベルを、Ｈレベルと称し、シャッタを閉じるための電圧のレベルを、Ｌレベルを称する。
【００３９】
例えば、対象物２の面位置を検出が、時刻ｔ１ないし時刻ｔｎの期間で行われるとき、その期間において、制御部２０からレーザ照明部１１に出力される電圧のレベルはＨレベルとなり、レーザ照明部１１から一定のパワーのレーザ光が出射され続けることとなる。
【００４０】
このとき、ラインセンサ１６では、所定のサンプリング周期で、受光された光量に応じた受光信号を読み出して、受光データを取得することになるが、ラインセンサ１６は、制御部２０からラインセンサ１６に出力される電圧のレベルがＨレベルとなるとき、受光データを取得することとなる。また、ここでは、１サンプリング周期（例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間）内に、長時間露光を行う区間（例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）と、短時間露光を行う区間（例えば、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間）の異なる露光時間となる区間を設けて、長時間露光をしたときに得られる受光データと、短時間露光をしたときに得られる受光データの両方が取得されるようにする。
【００４１】
具体的には、時刻ｔ１において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルとなり、長時間露光が開始されると、ラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ２において、長時間露光が終了し、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルとなり、長時間露光の受光データが取得される。続いて、時刻ｔ３において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルとなり、短時間露光が開始されてラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ４において、短時間露光が終了し、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルとなり、短時間露光の受光データが取得される。
【００４２】
長時間露光の受光データと、短時間露光の受光データは、その露光時間が異なるため、「受光データ」のレベルで示すように、短時間露光の場合よりも長時間露光の場合のほうが、ラインセンサ１６において蓄積される光量が多くなる。すなわち、露光時間（光量の蓄積時間）が制御されることにより、高輝度となる長時間露光の受光データと、低輝度となる短時間露光の受光データが得られる。
【００４３】
そして、上述したサンプリング周期を繰り返すことで、時刻ｔ５ないし時刻ｔ８、・・・、時刻ｔｎー３ないし時刻ｔｎにおいても、時刻ｔ１ないし時刻ｔ４と同様に、長時間露光と短時間露光が交互に繰り返し行われて、１サンプリング周期ごとの高輝度の受光データと低輝度の受光データとの組み合わせが得られる。
【００４４】
図４に戻り、データ処理部１７には、ラインセンサ１６から、高輝度の受光データと低輝度の受光データとが、交互に繰り返し供給される（図５Ｃのタイミングチャートに示した、「長時間露光の受光データ」と「短時間露光の受光データ」）。データ処理部１７は、１回のサンプリングで取得された１組の高輝度の受光データと低輝度の受光データのうちの一方の受光データを選択して、検出部１８に供給する。
【００４５】
すなわち、図２及び図３を参照して先に述べたように、合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、短時間露光をしたときには正常に受光されるが、長時間露光したときには、飽和する場合がある。一方、非合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、長時間露光をしたときには正常に検出されるが、短時間露光をしたときには、蓄積される光量が少ないため、正確な検出を行うことができない。
【００４６】
そこで、データ処理部１７は、ラインセンサ１６による１回のサンプリングで取得された１組の受光データのうち、通常は、長時間露光で得られた高輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給する。また、データ処理部１７は、高輝度の受光データが飽和した場合には、短時間露光で得られた低輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給するようにする。これにより、非合焦時には、高輝度の受光データが出力され、合焦時などの高輝度の受光データを得るときの光量が飽和した場合には、高輝度の受光データの替わりに、低輝度の受光データが出力される。
【００４７】
以上のように、第２の構成では、ラインセンサ１６を高輝度対応部として機能させるための長時間露光により得られる高輝度の受光データと、ラインセンサ１６を低輝度対応部として機能させるための短時間露光により得られる低輝度の受光データが取得され、高輝度の受光データを得るときの光量が飽和したとき、低輝度の受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。その結果、例えば、検出装置１を有する測定装置では、対象物２の測定精度を向上させることができる。
【００４８】
また、第２の構成では、制御部２０によって、ラインセンサ１６における露光時間を制御するだけで、新たな光学部材や電子部品等を追加することなく、簡単な構成で、高輝度の受光データと低輝度の受光データの両方を取得することができる。
【００４９】
なお、長時間露光の露光時間は、短時間露光の露光時間よりも長い時間となるが、その時間の関係は、例えば、次のように定めることができる。すなわち、例えば、反射率50%の対象物２に対してレーザ光を照射したときにおいて、長時間露光の露光時間は、短時間露光の露光時間の5倍の時間とすることができる。ただし、この関係は一例であり、長時間露光と短時間露光の露光時間の割合は、面位置の検出を行う対象物２などによって変化するものである。
【００５０】
図６は、本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第３の構成）を示す図である。
【００５１】
図６の検出装置１（第３の構成）では、図１及び図４の検出装置１（第１、第２の構成）と同様の箇所には、同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００５２】
図６の検出装置１では、図４の検出装置１と同様に、１つのラインセンサ１６と、１つのビームスプリッタ１２が設けられ、さらに、制御部２０が設けられている。
【００５３】
ここで、図７のタイミングチャートを参照して、図６の制御部２０により行われるレーザ照明部１１とラインセンサ１６の制御処理について説明する。なお、図７の各タイミングチャートの軸は、図５と同様とされている。また、以下の説明では、発光パワー強のレーザ光を出射させるための電圧のレベルを、Ｈ１レベルと称し、発光パワー弱のレーザ光を出射させるための電圧のレベルを、Ｈ２レベルと称する。
【００５４】
図７では、「レーザ発光パワー」に示すように、制御部２０からレーザ照明部１１に出力される電圧のレベルは一定とならず、１サンプリング周期（時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間）内に、発光パワーを強とする区間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）と、発光パワーを弱とする区間（時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間）の異なる発光パワーとなる区間を設けて、発光パワーを強としたときに得られる受光データと、発光パワーを弱にしたときに得られる受光データの両方が取得されるようにする。また、「シャッタ時間」に示すように、制御部２０からラインセンサ１６に出力される電圧のレベルは、１サンプリング周期において、同一の露光時間となる区間が繰り返されるようにされる。
【００５５】
具体的には、「レーザ発光パワー」の電圧のレベルがＨ１レベルとなり、発光パワー強のレーザ光の出射が開始された後、時刻ｔ１において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルになると、ラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ２において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルになると、発光パワー強の受光データが取得される。続いて、「レーザ発光パワー」の電圧のレベルがＨ２レベルとなり、発光パワー弱のレーザ光の出射が開始された後、時刻ｔ３において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルになると、ラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ４において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルになると、発光パワー弱の受光データが取得される。
【００５６】
発光パワー強の受光データと、発光パワー弱の受光データは、その露光時間は同一であるが、照射されているレーザ光の強度が異なるため、「受光データ」のレベルで示すように、発光パワー弱のレーザ光を出射した場合よりも、発光パワー強のレーザ光を出射した場合のほうが、ラインセンサ１６に蓄積される光量が多くなる。すなわち、レーザ光の強度が制御されることにより、高輝度となる発光パワー強の受光データと、低輝度となる発光パワー弱の受光データが得られる。
【００５７】
そして、上述したサンプリング周期を繰り返すことで、時刻ｔ５ないし時刻ｔ８、・・・、時刻ｔｎー３ないし時刻ｔｎにおいても、時刻ｔ１ないし時刻ｔ４と同様に、発光パワー強と発光パワー弱のレーザ光の出射が交互に繰り返し行われて、１サンプリング周期ごとの高輝度の受光データと低輝度の受光データとの組み合わせが得られる。
【００５８】
図６に戻り、データ処理部１７には、ラインセンサ１６から、高輝度の受光データと低輝度の受光データとが、交互に繰り返し供給される（図７Ｃのタイミングチャートに示した、発光パワー強と発光パワー弱の受光データ）。データ処理部１７は、１回のサンプリングで取得された１組の高輝度の受光データと低輝度の受光データのうちの一方の受光データを選択して、検出部１８に供給する。
【００５９】
すなわち、図２及び図３を参照して先に述べたように、合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、発光パワー弱のレーザ光を出射したときには、正常に受光されるが、発光パワー強のレーザ光を出射したときには、飽和する場合がある。一方、非合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、発光パワー強のレーザ光を出射したときには正常に検出されるが、発光パワー弱のレーザ光を出射したときには、蓄積される光量が少ないため、正確な検出を行うことができない。
【００６０】
そこで、データ処理部１７は、ラインセンサ１６による１回のサンプリングで取得される１組の受光データのうち、通常は、発光パワー強のレーザ光を出射したときに得られた高輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給する。また、データ処理部１７は、高輝度の受光データが飽和した場合には、発光パワー弱のレーザ光を出射したときに得られた低輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給するようにする。これにより、非合焦時には、高輝度の受光データが出力され、合焦時などの高輝度の受光データが飽和した場合には、高輝度の受光データの替わりに、低輝度の受光データが出力される。
【００６１】
以上のように、第３の構成では、ラインセンサ１６を高輝度対応部として機能させるための発光パワー強での照明光の出射により得られる高輝度の受光データと、ラインセンサ１６を低輝度対応部として機能させるための発光パワー弱での照明光の出射により得られる低輝度の受光データが取得され、高輝度の受光データを得るときの光量が飽和したとき、低輝度の受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。その結果、例えば、検出装置１を有する測定装置では、対象物２の測定精度を向上させることができる。
【００６２】
また、第３の構成では、制御部２０によって、レーザ照明部１１による出射されるレーザ光の発光光量を制御するだけで、新たな光学部材や電子部品等を追加することなく、簡単な構成で、高輝度の受光データと低輝度の受光データの両方を取得することができる。
【００６３】
なお、発光パワー強の光量は、発光パワー弱の光量よりも多くなるが、その光量の関係は、例えば、表面の反射率50%の対象物２に対してレーザ光を照射した場合において、発光パワー強の光量を、発光パワー弱の光量の5倍の光量とすることができる。ただし、この関係は一例であり、発光パワー強と発光パワー弱の光量の割合は、面位置の検出を行う対象物２などによって変化するものである。
【００６４】
以上のようにして、本実施の形態では、高輝度の受光データと低輝度の受光データが取得され、飽和していないほうの受光データを採用することで、合焦時と非合焦時における光量を確実に検出して、合焦精度を向上させることができる。
【００６５】
また、従来の測定装置であると、受光デバイスとして、ラインセンサやエリアセンサなどを用いた場合、レーザスポット径と光量密度の関係から、対象物表面が、平坦な表面であれば、なだらかな光量変化をするので、その変化を検出することができるが、その表面が平坦でない、表面凹凸が大きい対象物等の表面状態のよくない対象物の場合には、急激な光量変化をするので、その変化を検出することができないという問題があった。また、反射率の異なる材質からなる対象物の場合も、その材質の境界で受光光量が変化してしまうことがあるため、その変化を検出することができない場合がある。このような場合には、正確に信号を検出できない恐れがある。一方、本実施の形態では、高輝度の受光データと低輝度の受光データが取得され、飽和していないほうの受光データが採用されるため、表面状態のよくない対象物を正確に測定することができる。また、対象物表面で、反射率が急激に変化するような対象物を測定する場合であっても、正確に測定することができる。
【００６６】
なお、以上の説明では、検出装置１を測定装置に適用した場合について説明したが、検出装置１は、顕微鏡や光学測定機等において、焦点位置の検出するために用いるようにしてもよい。また、検出装置１は、対物レンズ１５若しくはダイクロイックミラー１４等の光学系を収納した鏡筒（不図示）、又は対象物２を載置したステージを高さ方向に移動しながら焦点位置検出を行って、オートフォーカス動作をさせる機器に用いることもできる。
【００６７】
また、第１の構成ないし第３の構成以外の構成であっても、ラインセンサ１６（ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂ）を、高輝度対応部と低輝度対応部として機能させる構成であれば、他の構成を採用することができる。
【００６８】
さらに、以上の説明では、受光デバイスとして、ラインセンサを一例に説明したが、ラインセンサの代わりに、エリアセンサを設けるようにしてもよい。
【００６９】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 検出装置， １１ レーザ照明部， １２，１２Ａ，１２Ｂ ビームスプリッタ， １３ レンズ， １４ ダイクロイックミラー， １５ 対物レンズ， １６，１６Ａ，１６Ｂ ラインセンサ， １７ データ処理部， １８ 検出部， １９ 観察光学系， ２０ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対象物の断面形状を測定する測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この種の測定装置においては、受光デバイスが設けられた鏡筒の垂直方向の位置を、対象物の表面に対して常に合焦状態となるように駆動制御し、その垂直方向の変位量から対象物の表面の高さを検出する。そして、対象物表面を走査しながら、垂直方向の変位量をサンプリングすることにより、対象物の表面の断面形状を検出する。
【０００４】
図８は、受光デバイスとしてラインセンサが設けられた場合の合焦時と非合焦時の受光の様子を示す図である。図８では、長方形の各マス目を１受光素子とする、複数の受光素子から構成されるラインセンサが模式的に表されている。
【０００５】
図８Ａに示すように、合焦時のレーザスポットＳは、その径が、小面積で、かつ高密度となるため、１受光素子の受光量は大きくなる。一方、図８Ｂに示すように、非合焦時のレーザスポットＳは、その径が、大面積で、かつ低密度となるため、１受光素子の受光量は非常に小さなものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−７２３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、合焦時と非合焦時とでは、レーザスポットＳの径の状態が変化するものであり、特に、１受光素子当たりの面積が小さい場合には、その変化による影響を顕著に受けやすくなる。
【０００８】
そのため、合焦時の光量に合わせてセンサ感度を設定した場合、非合焦時の光量が非常に小さくなるために、その光量を検出することができない。逆に、非合焦時の光量に合わせてセンサ感度を設定した場合、合焦時の光量が非常に大きくなるために、その光量が飽和してしまう場合がある。
【０００９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、合焦時と非合焦時における光量を確実に検出して、合焦精度を向上させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の検出装置は、対象物を照明する照明手段と、前記対象物からの反射光を集光して、前記対象物の光点像を結像させる結像光学系と、前記結像光学系により集光された前記対象物の光点像の合焦状態を検出する光検出手段と、前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記対象物の面位置を検出する位置検出手段とを備え、前記光検出手段は、前記反射光の光量から得られる高輝度のデータを取得するための高輝度対応部と、前記反射光の光量から得られる低輝度のデータを取得するための低輝度対応部を有し、前記位置検出手段は、前記高輝度対応部により取得された前記高輝度のデータ、又は前記低輝度対応部により取得された前記低輝度のデータに基づいて、前記対象物の面位置を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、合焦精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第１の構成）を示す図である。
【図２】ラインセンサにおける合焦時の受光データの例を示す図である。
【図３】ラインセンサにおける非合焦時の受光データの例を示す図である。
【図４】本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第２の構成）を示す図である。
【図５】ラインセンサの露光時間の切り替え動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第３の構成）を示す図である。
【図７】レーザ照明部の発光パワーの切り替え動作を示すタイミングチャートである。
【図８】ラインセンサにおける合焦時と非合焦時の受光の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第１の構成）を示す図である。
【００１５】
検出装置１は、レーザ照明部１１、ビームスプリッタ１２Ａ、１２Ｂ、レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、対物レンズ１５、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂ、データ処理部１７、検出部１８、及び観察光学系１９から構成される。
【００１６】
レーザ照明部１１は、例えば、所定の波長のレーザ光を出射するレーザダイオードから構成される。レーザ照明部１１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２Ａに入射される。
【００１７】
ビームスプリッタ１２Ａは、レーザ照明部１１からのレーザ光を透過し、透過したレーザ光は、レンズ１３により平行光とされる。そして、レンズ１３により集光されたレーザ光は、ダイクロイックミラー１４に入射される。ダイクロイックミラー１４は、レーザ照明部１１から出射されるレーザ光の波長の周辺の光や、この波長よりも長波長の光を反射させる機能を有する。したがって、レンズ１３からのレーザ光は、ダイクロイックミラー１４により対物レンズ１５側に反射され、対物レンズ１５により対物レンズ１５の焦点位置に集光されて、対象物２の表面に照射される。
【００１８】
対象物２の表面に照射されて、反射したレーザ反射光は、対物レンズ１５により集光され、そのレーザ反射光の一部が、ダイクロイックミラー１４を透過して、観察光学系１９に導かれる。観察光学系１９は、ダイクロイックミラー１４を透過したレーザ反射光を撮像素子（不図示）に結像させて、撮像素子によって対象物２の像に対応する観察画像が取得される。この観察画像は、モニタ（不図示）に表示される。
【００１９】
一方、ダイクロイックミラー１４によりレンズ１３側に反射され、レンズ１３を通過したレーザ反射光は、ビームスプリッタ１２Ａの偏向面で反射される。このレーザ反射光の光路には、ビームスプリッタ１２Ｂが配置されており、ビームスプリッタ１２Ｂは、入射光の一部を透過させ、一部を反射させる機能を有している。図１の例の場合、透過光と反射光の強さがほぼ、１：１であるので、ビームスプリッタ１２Ｂは、ハーフミラーとして機能する。
【００２０】
ビームスプリッタ１２Ｂを透過したレーザ反射光の光路には、ラインセンサ１６Ａが配置され、ビームスプリッタ１２Ｂにより反射されたレーザ反射光の光路には、ラインセンサ１６Ｂが配置されている。ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂは、例えば、複数個のフォトダイオードによりそれぞれ構成され、各フォトダイオードは、受光量に比例した受光信号を出力する。なお、以下の説明では、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにより検出された受光信号を受光データと称して説明する。
【００２１】
ラインセンサ１６Ａは、強いレーザ反射光を受光できるように、その受光感度が調整された低感度のラインセンサである。ラインセンサ１６Ａは、ビームスプリッタ１２Ｂを透過したレーザ反射光を受光し、その光量に応じた受光データをデータ処理部１７に供給する。つまり、ラインセンサ１６Ａから出力される受光データは、低輝度の受光データとなる。
【００２２】
ラインセンサ１６Ｂは、微弱なレーザ反射光を受光できるように、その受光感度が調整された高感度のラインセンサである。ラインセンサ１６Ｂは、ビームスプリッタ１２Ｂにより反射されたレーザ反射光を受光し、その光量に応じた受光データをデータ処理部１７に供給する。つまり、ラインセンサ１６Ｂから出力される受光データは、高輝度の受光データとなる。
【００２３】
データ処理部１７には、低感度のラインセンサ１６Ａからの低輝度の受光データと、高感度のラインセンサ１６Ｂからの高輝度の受光データが、同期して入力される。データ処理部１７は、受光感度の異なる２つのラインセンサからの同期した受光データのうちの一方の受光データを選択して、検出部１８に供給する。
【００２４】
ここで、図２及び図３を参照して、データ処理部１７により行われる受光データの選択処理の詳細について説明する。なお、図２及び図３において、長方形の各マス目を１受光素子とするラインセンサ１６Ａ、１６Ｂが模式的に示され、さらに、それらのラインセンサ１６Ａ、１６Ｂを構成する各受光素子により受光される光量の波形が示されている。また、垂直方向の軸は図示されていないが、図中上にいくほど、受光素子により受光された光量、すなわち、受光データが大きくなるものとする。
【００２５】
図２に示すように、合焦時において、レーザ反射光によるレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにおける１受光素子当たりの受光量が大きくなるため、図２Ａの低感度のラインセンサ１６Ａでは、蓄積された光量に対応する受光データを取得することができる。それに対し、図２Ｂの高感度のラインセンサ１６Ｂでは、蓄積された光量が飽和（サチュレーション）して、飽和光量を超えた光量が、一定レベルになってしまう。
【００２６】
一方、図３に示すように、非合焦時において、レーザ反射光によるレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにおける１受光素子当たりの受光量が非常に小さくなるため、図３Ｂの高感度のラインセンサ１６Ｂでは、光量を蓄積して受光データを取得することができる。それに対し、図３Ａの低感度のラインセンサ１６Ａでは、非合焦時のレーザスポットＳ（光点像）の光量が非常に小さく、蓄積される光量が少ないため、正確な受光データを取得することができない。
【００２７】
そこで、データ処理部１７は、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂからの受光データのうち、通常は、高感度のラインセンサ１６Ｂからの受光データを選択して、検出部１８に供給する。また、データ処理部１７は、高感度のラインセンサ１６Ｂからの受光データが飽和した場合には、低感度のラインセンサ１６Ａからの受光データを選択して、検出部１８に供給するようにする。
【００２８】
これにより、非合焦時には、高感度のラインセンサ１６Ｂにより検出された高輝度の受光データが出力され、合焦時などの高輝度の受光データを得るときの光量が飽和した場合には、高感度のラインセンサ１６Ｂからの高輝度の受光データの替わりに、低感度のラインセンサ１６Ａにより検出された低輝度の受光データが出力される。
【００２９】
図１に戻り、検出部１８は、データ処理部１７からの受光データに基づいて、対象物２の表面の位置（面位置）を検出する。例えば、検出装置１を有する測定装置においては、対物レンズ１５と、対象物２の表面との距離を相対的に移動させるとともに、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂにより対象物２の表面からのレーザ反射光の光量を検出し、低輝度の受光データに基づいて、その光量がピークになったときの対象物２の面位置をリニアエンコーダ等の面位置検出装置により検出することで、対象物２の面位置を検出することができる。
【００３０】
以上のように、第１の構成では、高輝度対応部としての高感度のラインセンサ１６Ｂにより得られる高輝度の受光データと、低輝度対応部としての低感度のラインセンサ１６Ａにより得られる低輝度の受光データが取得され、高輝度の受光データを得るとき光量が飽和したとき、低輝度の受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。その結果、例えば、検出装置１を有する測定装置では、対象物２の測定精度を向上させることができる。
【００３１】
なお、以上の説明では、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂの受光感度を異ならせる場合を例に説明したが、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂの受光感度を同一にして、ビームスプリッタ１２Ｂにより入射光の光量を分割して、レーザ反射光の強度を変化させるようにして、ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂのそれぞれにより受光される光量を変化させるようにしてもよい。
【００３２】
図４は、本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第２の構成）を示す図である。
【００３３】
図４の検出装置１（第２の構成）では、図１の検出装置１（第１の構成）と同様の箇所には、同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００３４】
図４の検出装置１では、図１の検出装置１と比べて、受光感度の異なる２つのラインセンサ１６Ａ、１６Ｂの代わりに、１つのラインセンサ１６が設けられており、さらに、光路を２つに分ける必要がないので、ビームスプリッタ１２Ａ、１２Ｂの代わりに、１つのビームスプリッタ１２が設けられ、さらに、レーザ照明部１１とラインセンサ１６を制御する制御部２０が設けられている点が異なる。
【００３５】
すなわち、図４の検出装置１においては、レーザ照明部１１が、制御部２０の制御にしたがって、レーザ光を出射し、そのレーザ光が、ビームスプリッタ１２ないし対物レンズ１５を経由して、対象物２の表面に照射される。そして、対象物２の表面で反射したレーザ反射光は、対物レンズ１５ないしレンズ１３を経由して、ビームスプリッタ１２に入射される。ビームスプリッタ１２により反射されたレーザ反射光は、ラインセンサ１６により受光される。ラインセンサ１６は、制御部２０の制御にしたがって、ビームスプリッタ１２により反射されたレーザ反射光を受光し、その光量に応じた受光データをデータ処理部１７に供給する。
【００３６】
ここで、図５のタイミングチャートを参照して、図４の制御部２０により行われるレーザ照明部１１とラインセンサ１６の制御処理の詳細について説明する。
【００３７】
なお、図５においては、図５Ａから図５Ｃの順に、レーザ照明部１１から出射されるレーザ光の発光パワーを調整するための制御信号のレベルを示す「レーザ発光パワー」、ラインセンサ１６を構成する各受光素子のシャッタ開閉動作制御等により露光時間を調整するための制御信号のレベルを示す「シャッタ時間」、及びラインセンサ１６からの出力のレベルを示す「受光データ」のタイミングチャートがそれぞれ記述されている。つまり、「レーザ発光パワー」は、制御部２０からレーザ照明部１１に入力される制御信号、「シャッタ時間」は、制御部２０からラインセンサ１６に入力される制御信号をそれぞれ示している。また、図５において、時間の方向は、図中左から右に向かう方向とされている。さらに、垂直方向の軸は、図示されていないが、図中上にいくほど、電圧のレベルが高くなるものとする。
【００３８】
また、以下の説明では、レーザ照明部１１によりレーザ光を出射させるための電圧のレベルを、Ｈレベルと称し、レーザ光を出射させない電圧のレベルを、Ｌレベルと称する。また、ラインセンサ１６において、シャッタを開放させるための電圧のレベルを、Ｈレベルと称し、シャッタを閉じるための電圧のレベルを、Ｌレベルを称する。
【００３９】
例えば、対象物２の面位置を検出が、時刻ｔ１ないし時刻ｔｎの期間で行われるとき、その期間において、制御部２０からレーザ照明部１１に出力される電圧のレベルはＨレベルとなり、レーザ照明部１１から一定のパワーのレーザ光が出射され続けることとなる。
【００４０】
このとき、ラインセンサ１６では、所定のサンプリング周期で、受光された光量に応じた受光信号を読み出して、受光データを取得することになるが、ラインセンサ１６は、制御部２０からラインセンサ１６に出力される電圧のレベルがＨレベルとなるとき、受光データを取得することとなる。また、ここでは、１サンプリング周期（例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間）内に、長時間露光を行う区間（例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）と、短時間露光を行う区間（例えば、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間）の異なる露光時間となる区間を設けて、長時間露光をしたときに得られる受光データと、短時間露光をしたときに得られる受光データの両方が取得されるようにする。
【００４１】
具体的には、時刻ｔ１において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルとなり、長時間露光が開始されると、ラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ２において、長時間露光が終了し、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルとなり、長時間露光の受光データが取得される。続いて、時刻ｔ３において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルとなり、短時間露光が開始されてラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ４において、短時間露光が終了し、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルとなり、短時間露光の受光データが取得される。
【００４２】
長時間露光の受光データと、短時間露光の受光データは、その露光時間が異なるため、「受光データ」のレベルで示すように、短時間露光の場合よりも長時間露光の場合のほうが、ラインセンサ１６において蓄積される光量が多くなる。すなわち、露光時間（光量の蓄積時間）が制御されることにより、高輝度となる長時間露光の受光データと、低輝度となる短時間露光の受光データが得られる。
【００４３】
そして、上述したサンプリング周期を繰り返すことで、時刻ｔ５ないし時刻ｔ８、・・・、時刻ｔｎー３ないし時刻ｔｎにおいても、時刻ｔ１ないし時刻ｔ４と同様に、長時間露光と短時間露光が交互に繰り返し行われて、１サンプリング周期ごとの高輝度の受光データと低輝度の受光データとの組み合わせが得られる。
【００４４】
図４に戻り、データ処理部１７には、ラインセンサ１６から、高輝度の受光データと低輝度の受光データとが、交互に繰り返し供給される（図５Ｃのタイミングチャートに示した、「長時間露光の受光データ」と「短時間露光の受光データ」）。データ処理部１７は、１回のサンプリングで取得された１組の高輝度の受光データと低輝度の受光データのうちの一方の受光データを選択して、検出部１８に供給する。
【００４５】
すなわち、図２及び図３を参照して先に述べたように、合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、短時間露光をしたときには正常に受光されるが、長時間露光したときには、飽和する場合がある。一方、非合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、長時間露光をしたときには正常に検出されるが、短時間露光をしたときには、蓄積される光量が少ないため、正確な検出を行うことができない。
【００４６】
そこで、データ処理部１７は、ラインセンサ１６による１回のサンプリングで取得された１組の受光データのうち、通常は、長時間露光で得られた高輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給する。また、データ処理部１７は、高輝度の受光データが飽和した場合には、短時間露光で得られた低輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給するようにする。これにより、非合焦時には、高輝度の受光データが出力され、合焦時などの高輝度の受光データを得るときの光量が飽和した場合には、高輝度の受光データの替わりに、低輝度の受光データが出力される。
【００４７】
以上のように、第２の構成では、ラインセンサ１６を高輝度対応部として機能させるための長時間露光により得られる高輝度の受光データと、ラインセンサ１６を低輝度対応部として機能させるための短時間露光により得られる低輝度の受光データが取得され、高輝度の受光データを得るときの光量が飽和したとき、低輝度の受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。その結果、例えば、検出装置１を有する測定装置では、対象物２の測定精度を向上させることができる。
【００４８】
また、第２の構成では、制御部２０によって、ラインセンサ１６における露光時間を制御するだけで、新たな光学部材や電子部品等を追加することなく、簡単な構成で、高輝度の受光データと低輝度の受光データの両方を取得することができる。
【００４９】
なお、長時間露光の露光時間は、短時間露光の露光時間よりも長い時間となるが、その時間の関係は、例えば、次のように定めることができる。すなわち、例えば、反射率50%の対象物２に対してレーザ光を照射したときにおいて、長時間露光の露光時間は、短時間露光の露光時間の5倍の時間とすることができる。ただし、この関係は一例であり、長時間露光と短時間露光の露光時間の割合は、面位置の検出を行う対象物２などによって変化するものである。
【００５０】
図６は、本発明を適用した検出装置の一実施の形態の構成（第３の構成）を示す図である。
【００５１】
図６の検出装置１（第３の構成）では、図１及び図４の検出装置１（第１、第２の構成）と同様の箇所には、同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００５２】
図６の検出装置１では、図４の検出装置１と同様に、１つのラインセンサ１６と、１つのビームスプリッタ１２が設けられ、さらに、制御部２０が設けられている。
【００５３】
ここで、図７のタイミングチャートを参照して、図６の制御部２０により行われるレーザ照明部１１とラインセンサ１６の制御処理について説明する。なお、図７の各タイミングチャートの軸は、図５と同様とされている。また、以下の説明では、発光パワー強のレーザ光を出射させるための電圧のレベルを、Ｈ１レベルと称し、発光パワー弱のレーザ光を出射させるための電圧のレベルを、Ｈ２レベルと称する。
【００５４】
図７では、「レーザ発光パワー」に示すように、制御部２０からレーザ照明部１１に出力される電圧のレベルは一定とならず、１サンプリング周期（時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間）内に、発光パワーを強とする区間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）と、発光パワーを弱とする区間（時刻ｔ３から時刻ｔ４までの時間）の異なる発光パワーとなる区間を設けて、発光パワーを強としたときに得られる受光データと、発光パワーを弱にしたときに得られる受光データの両方が取得されるようにする。また、「シャッタ時間」に示すように、制御部２０からラインセンサ１６に出力される電圧のレベルは、１サンプリング周期において、同一の露光時間となる区間が繰り返されるようにされる。
【００５５】
具体的には、「レーザ発光パワー」の電圧のレベルがＨ１レベルとなり、発光パワー強のレーザ光の出射が開始された後、時刻ｔ１において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルになると、ラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ２において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルになると、発光パワー強の受光データが取得される。続いて、「レーザ発光パワー」の電圧のレベルがＨ２レベルとなり、発光パワー弱のレーザ光の出射が開始された後、時刻ｔ３において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＨレベルになると、ラインセンサ１６では、受光された光量の蓄積が開始される。その後、時刻ｔ４において、「シャッタ時間」の電圧のレベルがＬレベルになると、発光パワー弱の受光データが取得される。
【００５６】
発光パワー強の受光データと、発光パワー弱の受光データは、その露光時間は同一であるが、照射されているレーザ光の強度が異なるため、「受光データ」のレベルで示すように、発光パワー弱のレーザ光を出射した場合よりも、発光パワー強のレーザ光を出射した場合のほうが、ラインセンサ１６に蓄積される光量が多くなる。すなわち、レーザ光の強度が制御されることにより、高輝度となる発光パワー強の受光データと、低輝度となる発光パワー弱の受光データが得られる。
【００５７】
そして、上述したサンプリング周期を繰り返すことで、時刻ｔ５ないし時刻ｔ８、・・・、時刻ｔｎー３ないし時刻ｔｎにおいても、時刻ｔ１ないし時刻ｔ４と同様に、発光パワー強と発光パワー弱のレーザ光の出射が交互に繰り返し行われて、１サンプリング周期ごとの高輝度の受光データと低輝度の受光データとの組み合わせが得られる。
【００５８】
図６に戻り、データ処理部１７には、ラインセンサ１６から、高輝度の受光データと低輝度の受光データとが、交互に繰り返し供給される（図７Ｃのタイミングチャートに示した、発光パワー強と発光パワー弱の受光データ）。データ処理部１７は、１回のサンプリングで取得された１組の高輝度の受光データと低輝度の受光データのうちの一方の受光データを選択して、検出部１８に供給する。
【００５９】
すなわち、図２及び図３を参照して先に述べたように、合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、発光パワー弱のレーザ光を出射したときには、正常に受光されるが、発光パワー強のレーザ光を出射したときには、飽和する場合がある。一方、非合焦時のレーザスポットＳ（光点像）が集光される場合、ラインセンサ１６において、発光パワー強のレーザ光を出射したときには正常に検出されるが、発光パワー弱のレーザ光を出射したときには、蓄積される光量が少ないため、正確な検出を行うことができない。
【００６０】
そこで、データ処理部１７は、ラインセンサ１６による１回のサンプリングで取得される１組の受光データのうち、通常は、発光パワー強のレーザ光を出射したときに得られた高輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給する。また、データ処理部１７は、高輝度の受光データが飽和した場合には、発光パワー弱のレーザ光を出射したときに得られた低輝度の受光データを選択して、検出部１８に供給するようにする。これにより、非合焦時には、高輝度の受光データが出力され、合焦時などの高輝度の受光データが飽和した場合には、高輝度の受光データの替わりに、低輝度の受光データが出力される。
【００６１】
以上のように、第３の構成では、ラインセンサ１６を高輝度対応部として機能させるための発光パワー強での照明光の出射により得られる高輝度の受光データと、ラインセンサ１６を低輝度対応部として機能させるための発光パワー弱での照明光の出射により得られる低輝度の受光データが取得され、高輝度の受光データを得るときの光量が飽和したとき、低輝度の受光データに基づいて、対象物２の像の合焦状態が確実に検出されるので、合焦精度を向上させることができる。その結果、例えば、検出装置１を有する測定装置では、対象物２の測定精度を向上させることができる。
【００６２】
また、第３の構成では、制御部２０によって、レーザ照明部１１による出射されるレーザ光の発光光量を制御するだけで、新たな光学部材や電子部品等を追加することなく、簡単な構成で、高輝度の受光データと低輝度の受光データの両方を取得することができる。
【００６３】
なお、発光パワー強の光量は、発光パワー弱の光量よりも多くなるが、その光量の関係は、例えば、表面の反射率50%の対象物２に対してレーザ光を照射した場合において、発光パワー強の光量を、発光パワー弱の光量の5倍の光量とすることができる。ただし、この関係は一例であり、発光パワー強と発光パワー弱の光量の割合は、面位置の検出を行う対象物２などによって変化するものである。
【００６４】
以上のようにして、本実施の形態では、高輝度の受光データと低輝度の受光データが取得され、飽和していないほうの受光データを採用することで、合焦時と非合焦時における光量を確実に検出して、合焦精度を向上させることができる。
【００６５】
また、従来の測定装置であると、受光デバイスとして、ラインセンサやエリアセンサなどを用いた場合、レーザスポット径と光量密度の関係から、対象物表面が、平坦な表面であれば、なだらかな光量変化をするので、その変化を検出することができるが、その表面が平坦でない、表面凹凸が大きい対象物等の表面状態のよくない対象物の場合には、急激な光量変化をするので、その変化を検出することができないという問題があった。また、反射率の異なる材質からなる対象物の場合も、その材質の境界で受光光量が変化してしまうことがあるため、その変化を検出することができない場合がある。このような場合には、正確に信号を検出できない恐れがある。一方、本実施の形態では、高輝度の受光データと低輝度の受光データが取得され、飽和していないほうの受光データが採用されるため、表面状態のよくない対象物を正確に測定することができる。また、対象物表面で、反射率が急激に変化するような対象物を測定する場合であっても、正確に測定することができる。
【００６６】
なお、以上の説明では、検出装置１を測定装置に適用した場合について説明したが、検出装置１は、顕微鏡や光学測定機等において、焦点位置の検出するために用いるようにしてもよい。また、検出装置１は、対物レンズ１５若しくはダイクロイックミラー１４等の光学系を収納した鏡筒（不図示）、又は対象物２を載置したステージを高さ方向に移動しながら焦点位置検出を行って、オートフォーカス動作をさせる機器に用いることもできる。
【００６７】
また、第１の構成ないし第３の構成以外の構成であっても、ラインセンサ１６（ラインセンサ１６Ａ、１６Ｂ）を、高輝度対応部と低輝度対応部として機能させる構成であれば、他の構成を採用することができる。
【００６８】
さらに、以上の説明では、受光デバイスとして、ラインセンサを一例に説明したが、ラインセンサの代わりに、エリアセンサを設けるようにしてもよい。
【００６９】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 検出装置， １１ レーザ照明部， １２，１２Ａ，１２Ｂ ビームスプリッタ， １３ レンズ， １４ ダイクロイックミラー， １５ 対物レンズ， １６，１６Ａ，１６Ｂ ラインセンサ， １７ データ処理部， １８ 検出部， １９ 観察光学系， ２０ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を照明する照明手段と、
前記対象物からの反射光を集光して、前記対象物の光点像を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系により集光された前記対象物の光点像の合焦状態を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記対象物の面位置を検出する位置検出手段と
を備え、
前記光検出手段は、前記光点像の光量から得られる高輝度のデータを取得するための高輝度対応部と、前記光点像の光量から得られる低輝度のデータを取得するための低輝度対応部を有し、
前記位置検出手段は、前記高輝度対応部により取得された前記高輝度のデータ、又は前記低輝度対応部により取得された前記低輝度のデータに基づいて、前記対象物の面位置を検出する
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記高輝度対応部は、高感度のセンサであり、
前記低輝度対応部は、低感度のセンサである
ことを特徴とする請求項１の検出装置。
【請求項３】
前記光検出手段は、ラインセンサであり、
前記ラインセンサの露光時間を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記ラインセンサを前記高輝度対応部として機能させるための第１の露光時間と、前記ラインセンサを前記低輝度対応部として機能させるための前記第１の露光時間よりも短い時間となる第２の露光時間とを切り替える
ことを特徴とする請求項１の検出装置。
【請求項４】
前記光検出手段は、ラインセンサであり、
前記照明手段から出射される照明光の光量を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記ラインセンサを前記高輝度対応部として機能させるための第１の光量と、前記ラインセンサを前記低輝度対応部として機能させるための前記第１の光量よりも光量を少なくした第２の光量とを切り替える
ことを特徴とする請求項１の検出装置。
【請求項５】
前記位置検出手段は、前記高輝度のデータを得るときの前記光点像の光量が飽和した場合、前記低輝度のデータに基づいて、前記対象物の面位置を検出する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の検出装置。
【請求項１】
対象物を照明する照明手段と、
前記対象物からの反射光を集光して、前記対象物の光点像を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系により集光された前記対象物の光点像の合焦状態を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記対象物の面位置を検出する位置検出手段と
を備え、
前記光検出手段は、前記光点像の光量から得られる高輝度のデータを取得するための高輝度対応部と、前記光点像の光量から得られる低輝度のデータを取得するための低輝度対応部を有し、
前記位置検出手段は、前記高輝度対応部により取得された前記高輝度のデータ、又は前記低輝度対応部により取得された前記低輝度のデータに基づいて、前記対象物の面位置を検出する
ことを特徴とする検出装置。
【請求項２】
前記高輝度対応部は、高感度のセンサであり、
前記低輝度対応部は、低感度のセンサである
ことを特徴とする請求項１の検出装置。
【請求項３】
前記光検出手段は、ラインセンサであり、
前記ラインセンサの露光時間を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記ラインセンサを前記高輝度対応部として機能させるための第１の露光時間と、前記ラインセンサを前記低輝度対応部として機能させるための前記第１の露光時間よりも短い時間となる第２の露光時間とを切り替える
ことを特徴とする請求項１の検出装置。
【請求項４】
前記光検出手段は、ラインセンサであり、
前記照明手段から出射される照明光の光量を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記ラインセンサを前記高輝度対応部として機能させるための第１の光量と、前記ラインセンサを前記低輝度対応部として機能させるための前記第１の光量よりも光量を少なくした第２の光量とを切り替える
ことを特徴とする請求項１の検出装置。
【請求項５】
前記位置検出手段は、前記高輝度のデータを得るときの前記光点像の光量が飽和した場合、前記低輝度のデータに基づいて、前記対象物の面位置を検出する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１１７８７０（Ｐ２０１２−１１７８７０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６６３５３（Ｐ２０１０−２６６３５３）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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