JP2003329419A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の表面形状を求めることができると
ともに、端部の位置を確実に検出できる形状測定装置を
得る。 【解決手段】 光発生手段２からの光ビームは光走査手
段３にて被測定物１に対して走査される。基準信号発生
手段４には、走査に際し最初の光ビームが入光され、走
査開始位置の基準信号を発生する。結像手段５は、被測
定物１から反射された反射光をビームスポット光として
光電変換手段６上に結像させる。光電変換手段６はビー
ムスポット光の移動軌跡上に配設された複数の光電変換
素子を有し、入射するビームスポット光を電気信号に変
換する。タイミング検出手段７は、上記電気信号のそれ
ぞれの立ち上がり及び立ち下がりタイミングを検出し、
端部位置検出手段８により被測定物１の端部位置を求
め、高さ検出手段９により被測定物１の表面から基準面
Ｈまでの距離を求め、被測定物の表面形状を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光点走査速度変
調型の形状測定装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の被測定物の表面形状を求める形状
測定装置は、例えば走査光が被測定物の表面に当たって
反射された反射光を電気信号に変換する光電変換素子の
結像面上にスリット板を配置し、スリットを通過する像
の検出タイミングにより各測定点の基準面からのずれを
計算し、被測定物の表面形状を決定していた。このよう
な形状測定装置は、例えば特開平０８−２１９７３４号
公報に示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような形状測定
装置は、被測定物の表面形状を求めることはできるが、
スリットによってマスクされる部分においては、像を検
出できないため、端部の位置を求めることができないと
いう問題点があった。この発明は、上記のような問題点
を解決して、複数の光電変換素子に順次入光するビーム
スポット光の入光のタイミングにより被測定物の表面形
状を求めることができるとともに、端部の位置を確実に
検出できる形状測定装置を得ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の形状測定装置は、光ビームを発生する光発
生手段、光ビームを所定の基準面又は基準面上に置かれ
た被測定物の表面に対して走査する光走査手段、光ビー
ムを受光し走査開始の基準信号を発生させる基準信号発
生手段、走査された光ビームによる基準面又は基準面上
に置かれた被測定物の表面からの反射光を受光してビー
ムスポット光を結像させる結像手段、光ビームの走査に
ともない移動するビームスポット光を順次受光し得るよ
うに配設されビームスポット光を電気信号に変換する複
数の光電変換素子を有する光電変換手段、電気信号の立
ち上がり又は立ち下がりのタイミングを検出するタイミ
ング検出手段、予め基準面を走査して得られた電気信号
の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングを基準タイミ
ングとして記憶する基準タイミング記憶手段、基準タイ
ミングと基準面上に置かれた被測定物の表面を走査した
ときの電気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミン
グである測定タイミングとに基づいて被測定物の表面か
ら基準面までの距離を求めて被測定物の表面形状を決定
する表面形状決定手段、及び基準信号と測定タイミング
とに基づいて被測定物の端部位置を求める端部位置決定
手段を備えたものである。光ビームの走査にともない移
動するビームスポット光を順次受光し得るように配設さ
れビームスポット光を電気信号に変換する複数の光電変
換素子を用いることにより、被測定物の表面から基準面
までの距離を決定することができるとともに被測定物の
端部位置を確実に求めることができる。

【０００５】そして、光電変換手段の複数の光電変換素
子はビームスポット光の移動方向に間に離隔部を設けて
配設されたものであり、光発生手段が発生する光ビーム
はスポットビーム光の大きさが光電変換素子間の離隔部
よりも所定寸法大きいものとなるような大きさのもので
あることを特徴とする。光電変換手段に結像されるビー
ムスポット光の大きさが光電変換素子間の離隔部よりも
小さいと、被測定物の端部位置に対応するビームスポッ
ト光が光電変換素子間の離隔部に入ったときには、端部
位置を検出できず測定の不感帯が生じる。結像されるビ
ームスポット光の大きさを光電変換素子間の離隔部より
も所定寸法大きくすることによって、不感帯をなくすこ
とができる。

【０００６】さらに、光電変換手段は、ビームスポット
光の移動方向に配設されビームスポット光を受光して測
定用の電気信号に変換する測定用の複数の光電変換素子
を有する測定用光電変換素子列と、ビームスポット光の
移動方向に配設されるとともに第１の光電変換素子列と
隣接して配置され背景光を受光して背景光用の電気信号
に変換する背景光用の複数の光電変換素子を有する背景
光用光電変換素子列とが設けられたものであって、測定
用光電変換素子列から出力される測定用の電気信号を背
景光用光電変換素子列から出力される背景光用の電気信
号により補正するものであることを特徴とする。測定用
の電気信号を背景光用の電気信号により補正することに
より、背景光によるノイズを除去することができる。

【０００７】また、光電変換手段は、ビームスポット光
の移動方向に間に第１の離隔部を設けて配設された複数
の第１の光電変換素子を有する第１の光電変換素子列
と、ビームスポット光の移動方向に間に第２の離隔部を
設けて配設された複数の第２の光電変換素子を有し第１
の光電変換素子列に隣接してかつ第２の離隔部が第１の
離隔部とビームスポット光の移動方向と直交する方向に
重ならないようにして配置されたものである第２の光電
変換素列とが設けられ、第１及び第２の光電変換素子列
によりビームスポット光を受光するものであることを特
徴とする。第１の光電変換素子間の第１の離隔部と第２
の光電変換素子間の第２の離隔部とがビームスポット光
の移動方向と直交する方向に重ならないようにして配置
することにより、被測定物の端部位置に対応するビーム
スポット光が第１又は第２の光電変換素子間の第１又は
第２の離隔部に入っても端部位置を検出でき、測定の不
感帯をなくすことができる。

【０００８】そして、表面形状決定手段により求められ
た被測定物の表面から基準面までの距離に基づいて被測
定物の端部位置を補正する端部位置補正手段が設けられ
たものであることを特徴とする。被測定物の表面から基
準面までの距離に基づいて被測定物の端部位置を補正す
るすることにより、例えば被測定物の反りや厚みなどの
端部から基準面までの距離により生じる誤差を補正する
ことができる。

【０００９】さらに、光ビームの走査角度を検出する角
度検出手段が設けられたものであって、タイミング検出
手段は走査角度に基づき電気信号の立ち上り又は立ち下
がりのタイミングを補正するものであることを特徴とす
る。検出した走査角度に基づき電気信号の立ち上り又は
立ち下がりのタイミングを補正することにより、光走査
手段において発生する走査むらを補正することができ
る。

【００１０】また、タイミング検出手段により検出され
た測定タイミングに基づき新たな１つの端部位置検出用
の信号を生成する端部位置信号生成手段が設けられたも
のであって、端部位置決定手段は基準信号と端部位置検
出用の信号とに基づいて被測定物の端部位置を決定する
ものであることを特徴とする。端部位置決定手段に用い
る信号が少なくなり、端部位置決定手段の構成が簡略化
される。

【００１１】そして、タイミング検出手段により検出さ
れた測定タイミングに基づき新たな１つの距離検出用の
信号を生成する距離信号生成手段が設けられたものであ
って、表面形状決定手段は基準タイミングと距離検出用
の信号とに基づいて被測定物の表面から基準面までの距
離を決定するものであることを特徴とする。表面形状決
定手段に用いる信号が少なくなり、表面形状決定手段の
構成が簡略化される。

【００１２】さらに、光電変換素子により変換された電
気信号を対数増幅する対数増幅手段が設けられたもので
あって、タイミング検出手段は対数増幅手段によって増
幅された電気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミ
ングを検出するものであることを特徴とする。対数増幅
手段を設けることにより、端部位置を検出するための電
気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングを安定
して検出できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１〜図３は、こ
の発明の実施の一形態を示すものであり、図１は形状測
定装置の構成を示す構成図、図２は光電変換手段の構成
を示す構成図、図３はタイミング検出手段に出力される
信号波形の説明図である。図１において、光発生手段２
から光ビームが出力され、光走査手段３にて基準平面Ｈ
及びこの基準平面Ｈ上に置かれた被測定物１に向けて走
査される。なお、光走査手段３としては、具体的には、
ポリゴンスキャナ等を用いることができる。

【００１４】基準信号発生手段４には、走査に際し最初
の光ビームが入光し、走査開始位置の基準信号を発生す
る。結像手段５は、基準平面Ｈ及び被測定物１から反射
された反射光をビームスポット光として光電変換手段６
上に結像させる。光電変換手段６は、図２に示すよう
に、入射するビームスポット光の移動軌跡上に、この実
施の形態においては直線状に一列に配設された複数の光
電変換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎを有する光電
変換素子列６１が設けられている。

【００１５】図１に戻って、光電変換手段６により光電
変換された電気信号は、タイミング検出手段７に出力さ
れる。タイミング検出手段７は、入力信号のそれぞれの
立ち上がり及び立ち下がりタイミングを検出し、端部位
置決定手段としての端部位置検出手段８及び表面形状決
定手段としての高さ検出手段９に出力する。端部位置検
出手段８は、被測定物１の端部位置を求める。高さ検出
手段９は、被測定物１の表面の基準平面Ｈからの距離で
ある高さを計算する。すなわち、被測定部の形状を求め
る。

【００１６】次に、動作について説明する。光発生手段
２から出力された光ビームは、光走査手段３にて被測定
物１に向かって図１の右方から左方へ走査される。走査
に際し最初に発せられた光ビームは、基準信号発生手段
４に入光し、走査開始位置の基準信号ｓ１を発生させる
（図３（ａ）参照）。走査が進み、被測定物１上に到達
すると、光ビームは被測定物１に当って反射や散乱をす
る。

【００１７】結像手段５は、被測定物１上で反射や散乱
をした反射光をビームスポット光として光電変換手段６
の光電変換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎ上に順次
結像させる。ビームスポット光は、光ビームの走査に追
随して光電変換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎ上を
移動する。光電変換手段６により光電変換された電気信
号は、図示しない電流／電圧変換器を介して増幅器によ
り増幅され、信号波形としてタイミング検出手段７に入
力される。

【００１８】タイミング検出手段７に入力される信号波
形は、図３に示すような形状をしている。まず、基準信
号発生手段４から図３（ａ）に示す基準信号ｓ１が入力
される。そして、被測定物１がない場合に、基準平面Ｈ
上の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・ ・・，Ｐｎを順次、
光ビームにて走査した場合、ビームスポット光は光電変
換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎを順次移動する。

【００１９】従って、例えば光電変換素子Ａ２〜Ａ５か
らの電気信号を増幅した信号波形（以下、単に信号波形
という）は、図３（ｂ）〜（ｅ）におけるａ２０，ａ３
０，ａ４０，ａ５０のような波形となる。そして、図１
に示すような被測定物１を基準平面Ｈ上に置いて、走査
した場合は、光電変換素子Ａ２〜Ａ５からの信号波形
は、図３（ｂ）〜（ｅ）におけるａ２１，ａ３１，ａ４
１，ａ５１のような波形となる。このとき、光ビーム
は、図１に示す被測定物１上の点Ｐ３１，Ｐ４１，Ｐ５
１等で反射される。

【００２０】タイミング検出手段７は、図示しない内部
クロック及び基準信号発生手段４から入力された基準信
号ｓ１と、各光電変換素子Ａ１〜Ａｎからの信号波形の
それぞれの立ち上がり及び立ち下がりタイミングを検出
し、端部位置検出手段８及び高さ検出手段９に出力す
る。端部位置検出手段８は、基準信号発生手段４よりの
基準信号ｓ１を基準にして各光電変換素子Ａ１〜Ａｎか
らの信号波形に基づいて最も早い立ち上がりのタイミン
グまでの時間ｔ１及び最も遅い立ち下がりのタイミング
までの時間ｔ２を検出し、被測定物１の端部位置Ｅ１，
Ｅ２を算出する。

【００２１】高さ演算手段９は、上記信号波形ａ３０，
ａ４０，ａ５０の基準タイミングとしての立ち上がりタ
イミングと、信号波形ａ３１，ａ４１，ａ５１の測定タ
イミングとしての立ち上がりタイミングとの時間差ｔ
３，ｔ４，ｔ５を求める。すなわち、図１に示すような
基準平面Ｈ上に被測定物１がある場合とない場合とで、
各波形信号の立ち上がりや立ち下がりのタイミングに時
間差が発生する。

【００２２】この時間差ｔ３，ｔ４，ｔ５によって、各
光電変換素子Ａ３，Ａ４，Ａ５が対応する被測定物１上
の点Ｐ３１，Ｐ４１，Ｐ５１の基準平面Ｈからの高さ、
つまり被測定物１の表面の平坦度を求める。なお、基準
タイミング記憶手段としての高さ演算手段９は、被測定
物１が置かれていないときの基準平面Ｈを光ビームによ
り走査して得られる上記信号波形ａ１０，ａ２０，ａ３
０，・・ ・・，ａｎ０の立ち上がりタイミングを、
予め測定し、基準タイミングとして記憶している。

【００２３】以上のように、この実施の形態によれば、
所定方向すなわちビームスポット光の移動方向に配設さ
れた複数の光電変換素子に順次入光するビームスポット
光の入光のタイミングにより被測定物の端部の位置と平
坦度とを求めるようにしたので、被測定物の表面形状を
決定できるとともに、被測定物１の端部の位置を求める
ことができる。

【００２４】実施の形態２．図４は、この発明の他の実
施の形態を説明するためのビームスポット光と光電変換
手段の電気出力の波形との関係を示す図である。図４
（ａ）に示すように、光電変換手段６の光電変換素子Ａ
１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎに結像されるビームスポッ
ト光Ｑ１の大きさが、光電変換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，
・・，Ａｎ相互間の離隔部としての継目の幅よりも小さ
いと、図４（ｂ）のように、ある光電変換素子Ａ（ｎ−
１）及びこれに隣接する光電変換素子Ａｎから各々出力
される信号波形ａ（ｎ−１），ａｎの間に出力零の部分
である不感帯が生じる。

【００２５】これを防止するために、この実施の形態に
おいては、図４（ｃ）に示すように結像されるビームス
ポット光Ｑ２の大きさを、光電変換素子Ａ１，Ａ２，Ａ
３，・・，Ａｎの継目の幅よりも充分大きくなるように
構成したものである。光学系としての図１における光発
生手段２、光走査手段３、結像手段５を適切に設計する
ことにより、ビームスポット光Ｑ１の大きさを図４
（ｃ）に示すように十分に大きくすることができる。こ
れにより、図４（ｄ）のように光電変換素子Ａ（ｎ−
１）とこれに隣接する光電変換素子Ａｎとから各々出力
される信号波形ａ（ｎ−１），ａｎの間に出力零の部分
である不感帯が生じるのを防止できる。

【００２６】実施の形態３．図５は、さらにこの発明の
他の実施の形態である光電変換手段の構成を示す構成図
である。図５に示すように、光電変換手段６は第１の光
電変換素子列６１と第２の光電変換素子列６２とを有す
る。第１の光電変換素子列６１は、ビームスポット光Ｑ
３の移動方向に直線状に一列に配設された第１の光電変
換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・ ・・，Ａｎを有す
る。第２の光電変換素子列６２は、同じく直線状に一列
に配設された第２の光電変換素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，・
・ ・・，Ｂｎを有する。第１の光電変換素子列６１
と、第２の光電変換素子列６２とは、図５のように並行
に二列に配置され光電変換手段６を構成している。

【００２７】このうちの１列、例えば第１の光電変換素
子列６１をビームスポット光の受光用、すなわち被測定
物１の測定用、残りの１列である第２の光電変換素子列
６２を背景光受光用とする。そして、第１の光電変換素
子列６１により得られた被測定物１に関する電気信号
と、第２の光電変換素子列６２により得られた背景光に
関する電気信号との差を求めることにより、背景光成分
を除去することができ、Ｓ／Ｎが向上する。

【００２８】実施の形態４．図６、図７は、さらにこの
発明の他の実施の形態を示すもので、図６は光電変換手
段の構成を示す構成図、図７は光電変換手段の動作を説
明するための説明図である。図６に示すように、光電変
換手段６は、第１の光電変換素子列６１と第３の光電変
換素子列６３とを有する。第１の光電変換素子列６１
は、直線状に一列に配設された第１の光電変換素子Ａ
１，Ａ２，Ａ３，・・ ・・，Ａｎを有する。第３の
光電変換素子列６３は、同じく直線状に一列に配設され
た第３の光電変換素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・ ・
・，Ｃｎを有する。

【００２９】第３の光電変換素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・
・ ・・，Ｃｎは、第１の光電変換素子Ａ１，Ａ２，
Ａ３，・・ ・・，Ａｎに対して図６に示すようにそ
の列方向に互いに位置をずらして千鳥状に配置されてい
る。すなわち、第１の光電変換素子Ａ１，Ａ２，Ａ３，
・・ ・・，Ａｎ間の離隔部と、第３の光電変換素子
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・ ・・，Ｃｎ間の離隔部と
が、その列方向と直交する方向に重ならないようにして
いる。

【００３０】そして、光学系としての図１における光発
生手段２、光走査手段３、結像手段５を、光電変換素子
Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・ ・・，Ａｎと、光電変換素
子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・ ・・，Ｃｎとに跨るよう
な十分な大きさのビームスポット光Ｑ４（楕円形であっ
てもよい）を結像させることができるものにする。

【００３１】このように配置することにより、ビームス
ポット光Ｑ４が一方の列の光電変換素子間の離隔部であ
るの継目に入っても、千鳥に配置されたもう１列の光電
変換素子により補うことができる。すなわち、ビームス
ポット光Ｑ４が図６において左方から右方へ移動して行
くとき、光電変換素子Ａ（ｎ−１），Ｃ（ｎ−１）、Ａ
ｎ，Ｃｎから出力される信号波形は、図７（ａ）〜
（ｄ）に示すようにそれぞれａ（ｎ−１），ｃ（ｎ−
１）、ａｎ，ｃｎとなる。従って、各区間Ｆ，Ｇ，Ｈ
を、それぞれ光電変換素子Ａ（ｎ−１），Ｃ（ｎ−
１）、Ａｎの測定範囲とすることができ、不感帯をなく
すことができる。

【００３２】実施の形態５．図８、図９は、さらにこの
発明の他の実施の形態を示すものであり、図８は形状測
定装置の構成を示す構成図、図９は端部位置補正手段の
動作を説明するための説明図である。この実施の形態に
おいては、図８に示すように、図１に示したものに、端
部位置補正手段１０を設けたものである。その他の構成
については、図１に示した実施の形態１と同様のもので
あるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略
する。

【００３３】図１のような構成の場合、求められた被測
定物１の端部位置は、被測定物１の端部の反りや厚みに
よって誤差を生じる。そこで、端部位置補正手段１０
は、高さ検出手段９により求められた高さの情報を用い
て、端部位置を補正する。

【００３４】この場合、図９（ａ）に示すように、走査
の開始時に基準信号ｓ１は発信され、その後図９（ｂ）
に示すように光電変換素子Ａ２からの信号波形ａ２１の
立ち上がりエッジのタイミングｔ１にて被測定部１の端
部位置Ｅ１が検出され、その直後の図９（ｃ）に示す光
電変換素子Ａ３からの信号波形ａ３１の立ち上がりエッ
ジのタイミングと信号波形ａ３０の立ち上がりエッジの
タイミングとの時間差ｔ３から高さが演算される。この
演算された高さの情報を用いて端部位置を補正すること
により、端部位置を精度良く求めることができる。

【００３５】また、被測定部１の端部位置が検出された
光電変換素子Ａ２からの信号波形ａ２１の立ち下がりエ
ッジのタイミングと信号波形ａ２０の立ち下がりエッジ
のタイミングとの時間差ｔ８から、高さの情報を得ても
よい。また、両方の方法を用いて求めた高さの平均値を
採用してもよい。

【００３６】実施の形態６．図１０は、さらにこの発明
の他の実施の形態である形状測定装置の構成を示す構成
図である。この実施の形態においては、図１０に示すよ
うに、図１の実施の形態で示したものに、光ビームの走
査角度を検出する角度検出手段１１を設け、走査により
変化する光ビームの走査角度を検出してタイミング検出
手段７に入力するようにしたものである。

【００３７】このように構成することにより、光ビーム
の走査角度を検出してタイミング検出手段７に入力し、
タイミング検出手段７が検出する光電変換手段６からの
信号波形の立ち上がり及び立ち下がりタイミングを補正
する。これにより、光走査手段３において発生する走査
むら（ジッタ）による測定誤差を補正し、精度良く形状
を求めることができる。

【００３８】実施の形態７．図１１、図１２は、さらに
この発明の他の実施の形態を示すもので、図１１は形状
測定装置の構成を示す構成図、図１２は端部位置信号生
成手段の動作を説明するための説明図である。この実施
の形態においては、図１１に示すように、図８に示した
光電変換手段６とタイミング検出手段７との間に端部位
置信号生成手段１２を設けたものである。

【００３９】端部位置信号生成手段１２の動作を、図１
２により説明する。まず、光電変換手段６の光電変換素
子Ａ１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎ，Ａ（ｎ＋１）からの
信号波形ａ１１，ａ２１，ａ３１，・・ ・・，ａ
ｎ，ａ（ｎ＋１）（図１２（ａ）〜（ｅ）に示す）を２
値化信号ｄ１１，ｄ２１，ｄ３１，・・ ・・，ｄ
ｎ，ｄ（ｎ＋１）（図１２（ｆ）〜（ｋ）に示す）に変
換する。

【００４０】さらに、２値化されたそれぞれ２値化信号
ｄ１１，ｄ２１，ｄ３１，・・・・，ｄｎ，ｄ（ｎ＋
１）から、ＯＲ条件により論理処理をして新たな端部位
置検出用のＯＲ論理処理信号波形ｅ（図１２（ｍ））を
得る。本ＯＲ論理処理信号波形ｅをタイミング検出手段
７に出力し、図３に示した基準信号ｓ１からＯＲ論理処
理信号波形ｅの立ち上がり及び立ち下がりタイミングま
での時間ｔ１及びｔ２を検出することにより、端部位置
を求めることができる。

【００４１】実施の形態８．図１３、図１４は、さらに
この発明の他の実施の形態を示すもので、図１３は形状
測定装置の構成を示す構成図、図１４は高さ信号生成手
段の動作を説明するための説明図である。この実施の形
態においては、図１３に示すように、図８に示した光電
変換手段６とタイミング検出手段７との間に高さ信号生
成手段１３を設けたものである。

【００４２】次に、高さ信号生成手段１３の動作を図１
４により説明する。光電変換手段６の光電変換素子Ａ
１，Ａ２，Ａ３，・・，Ａｎ，Ａ（ｎ＋１）からの信号
波形ａ１１，ａ２１，ａ３１，・・ ・・，ａｎ，ａ
（ｎ＋１）（図１４（ａ）〜（ｅ）に示す）の立ち上が
りタイミングを用いてパルス信号ｒ１，ｒ２，ｒ３，・
・ ・・，ｒｎ，ｒ（ｎ＋１）を有するパルス波形信
号ｒ（図１４（ｆ））を生成する。

【００４３】本パルス波形信号ｒをタイミング検出器７
に出力し、パルス信号ｒ１，ｒ２，ｒ３，・・ ・
・，ｒｎ，ｒ（ｎ＋１）の立ち上がりタイミングと、基
準平面Ｈ上に被測定物１が置かれていないときに上記と
同様にして得られる図示しないパルス信号ｗ１，ｗ２，
ｗ３，・・ ・・，ｗｎ，ｗ（ｎ＋１）の立ち上がり
タイミングとの時間差ｚ１，ｚ２，ｚ３，・・ ・
・，ｚｎ，ｚ（ｎ＋１）から、被測定物１の表面から基
準平面Ｈまでの距離である高さを求め、表面形状を決定
することができる。また、上記時間差ｚ１，ｚ２，ｚ
３，・・ ・・，ｚｎ，ｚ（ｎ＋１）から、被測定物
１の端部位置を求めることができる。

【００４４】なお、上記では、光電変換手段６からの出
力波形の立ち上がりタイミングを用いてパルス信号波形
を得たが、立ち下がりタイミングを用いてもよく、また
両方を用いてもよい。

【００４５】実施の形態９．図１５、図１６は、さらに
この発明の他の実施の形態を示すもので、図１５は形状
測定装置の構成を示す構成図、図１６は対数増幅手段の
動作を説明するための説明図である。この実施の形態に
おいては、図１５に示すように、図１に示した光電変換
手段６とタイミング検出手段７との間に対数増幅手段１
４を設け、光電変換手段６により変換された電気信号を
対数増幅してタイミング検出手段７に入力する。

【００４６】光ビームが走査され、端部位置に到達した
ときに結像されるビームスポット光のパワーは、図１６
（ａ）のように光電変換素子ＡｎとＡ（ｎ＋１）との継
目ではない位置にて端部位置に到達した場合は、受光量
は減少しないので図１６（ｃ）の信号波形ｕのように通
常の波形となる。これに対し、図１６（ｂ）のように光
電変換素子ＡｎとＡ（ｎ＋１）との継目にかかった状態
にて端部位置に到達した場合、受光量が減少するため、
図１６（ｃ）の波形信号ｖのように波形の立ち上がりエ
ッジがなまる。

【００４７】そこで、光電変換手段６にて変換された電
気信号を対数増幅手段１４により増幅して、図１６
（ｄ）に示すような信号波形ｗとして、タイミング検出
手段７に出力する。このようにすることにより、光電変
換素子の受光量の変化を補い、安定して波形信号の立ち
上がりや立ち下がりのタイミングを検出できる。

【００４８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００４９】本発明の形状測定装置は、光ビームを発生
する光発生手段、光ビームを所定の基準面又は基準面上
に置かれた被測定物の表面に対して走査する光走査手
段、光ビームを受光し走査開始の基準信号を発生させる
基準信号発生手段、走査された光ビームによる基準面又
は基準面上に置かれた被測定物の表面からの反射光を受
光してビームスポット光を結像させる結像手段、光ビー
ムの走査にともない移動するビームスポット光を順次受
光し得るように配設されビームスポット光を電気信号に
変換する複数の光電変換素子を有する光電変換手段、電
気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングを検出
するタイミング検出手段、予め基準面を走査して得られ
た電気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングを
基準タイミングとして記憶する基準タイミング記憶手
段、基準タイミングと基準面上に置かれた被測定物の表
面を走査したときの電気信号の立ち上がり又は立ち下が
りのタイミングである測定タイミングとに基づいて被測
定物の表面から基準面までの距離を求めて被測定物の表
面形状を決定する表面形状決定手段、及び基準信号と測
定タイミングとに基づいて被測定物の端部位置を求める
端部位置決定手段を備えたものであるので、光ビームの
走査にともない移動するビームスポット光を順次受光し
得るように配設されビームスポット光を電気信号に変換
する複数の光電変換素子を用いることにより、被測定物
の表面形状を決定することができるとともに被測定物の
端部位置を確実に求めることができる。

【００５０】そして、光電変換手段の複数の光電変換素
子はビームスポット光の移動方向に間に離隔部を設けて
配設されたものであり、光発生手段が発生する光ビーム
はスポットビーム光の大きさが光電変換素子間の離隔部
よりも所定寸法大きいものとなるような大きさのもので
あることを特徴とするので、光電変換手段に結像される
ビームスポット光の大きさが光電変換素子間の離隔部よ
りも小さいと、被測定物の端部位置に対応するビームス
ポット光が光電変換素子間の離隔部に入ったときには、
端部位置を検出できず測定の不感帯が生じる。結像され
るビームスポット光の大きさを光電変換素子間の離隔部
よりも所定寸法大きくすることによって、不感帯をなく
すことができる。

【００５１】さらに、光電変換手段は、ビームスポット
光の移動方向に配設されビームスポット光を受光して測
定用の電気信号に変換する測定用の複数の光電変換素子
を有する測定用光電変換素子列と、ビームスポット光の
移動方向に配設されるとともに第１の光電変換素子列と
隣接して配置され背景光を受光して背景光用の電気信号
に変換する背景光用の複数の光電変換素子を有する背景
光用光電変換素子列とが設けられたものであって、測定
用光電変換素子列から出力される測定用の電気信号を背
景光用光電変換素子列から出力される背景光用の電気信
号により補正するものであることを特徴とするので、測
定用の電気信号を背景光用の電気信号により補正するこ
とにより、背景光によるノイズを除去して測定の精度を
向上させることができる。

【００５２】また、光電変換手段は、ビームスポット光
の移動方向に間に第１の離隔部を設けて配設された複数
の第１の光電変換素子を有する第１の光電変換素子列
と、ビームスポット光の移動方向に間に第２の離隔部を
設けて配設された複数の第２の光電変換素子を有し第１
の光電変換素子列に隣接してかつ第２の離隔部が第１の
離隔部とビームスポット光の移動方向と直交する方向に
重ならないようにして配置されたものである第２の光電
変換素列とが設けられ、第１及び第２の光電変換素子列
によりビームスポット光を受光するものであることを特
徴とするので、第１の光電変換素子間の第１の離隔部と
第２の光電変換素子間の第２の離隔部とがビームスポッ
ト光の移動方向と直交する方向に重ならないようにして
配置することにより、被測定物の端部位置に対応するビ
ームスポット光が第１又は第２の光電変換素子間の第１
又は第２の離隔部に入っても端部位置を検出でき、測定
の不感帯をなくすことができる。

【００５３】そして、表面形状決定手段により求められ
た被測定物の表面から基準面までの距離に基づいて被測
定物の端部位置を補正する端部位置補正手段が設けられ
たものであることを特徴とするので、被測定物の表面か
ら基準面までの距離に基づいて被測定物の端部位置を補
正するすることにより、例えば被測定物の反りや厚みな
どの端部から基準面までの距離により生じる誤差を補正
し、端部位置を精度良く測定することができる。

【００５４】さらに、光ビームの走査角度を検出する角
度検出手段が設けられたものであって、タイミング検出
手段は走査角度に基づき電気信号の立ち上り又は立ち下
がりのタイミングを補正するものであることを特徴とす
るので、検出した走査角度に基づき電気信号の立ち上り
又は立ち下がりのタイミングを補正することにより、光
走査手段において発生する走査むらを補正し、測定精度
を向上させることができる。

【００５５】また、タイミング検出手段により検出され
た測定タイミングに基づき新たな１つの端部位置検出用
の信号を生成する端部位置信号生成手段が設けられたも
のであって、端部位置決定手段は基準信号と端部位置検
出用の信号とに基づいて上記被測定物の端部位置を決定
するものであることを特徴とするので、端部位置決定手
段に用いる信号が少なくなり、端部位置決定手段の構成
が簡略化される。

【００５６】そして、タイミング検出手段により検出さ
れた測定タイミングに基づき新たな１つの距離検出用の
信号を生成する距離信号生成手段が設けられたものであ
って、表面形状決定手段は基準タイミングと距離検出用
の信号とに基づいて被測定物の表面から基準面までの距
離を決定するものであることを特徴とするので、表面形
状決定手段に用いる信号が少なくなり、表面形状決定手
段の構成が簡略化される。

【００５７】さらに、光電変換素子により変換された電
気信号を対数増幅する対数増幅手段が設けられたもので
あって、タイミング検出手段は対数増幅手段によって増
幅された電気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミ
ングを検出するものであることを特徴とするので、対数
増幅手段を設けることにより、端部位置を検出するため
の電気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミングを
安定して検出でき、測定の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の他の実施の一形態を示す形状測定
装置の構成を示す構成図である。

【図２】 図１の光電変換手段の構成を示す構成図であ
る。

【図３】 図１のタイミング検出手段に出力される信号
波形の説明図である。

【図４】 この発明の他の実施の形態を説明するための
ビームスポット光と光電変換手段の電気出力の波形との
関係を示す図である。

【図５】 さらに、この発明の他の実施の形態である光
電変換手段の構成を示す構成図である。

【図６】 さらに、この発明の他の実施の形態であえる
光電変換手段の構成を示す構成図である。

【図７】 図６の光電変換手段の動作を説明するための
説明図である。

【図８】 さらに、この発明の他の実施の形態である形
状測定装置の構成を示す構成図である。

【図９】 図８の端部位置補正手段の動作を説明するた
めの説明図である。

【図１０】 さらに、この発明の他の実施の形態である
形状測定装置の構成を示す構成図である。

【図１１】 さらに、この発明の他の実施の形態である
形状測定装置の構成を示す構成図である。

【図１２】 図１１の端部位置信号生成手段の動作を説
明するための説明図である。

【図１３】 さらに、この発明の他の実施の形態である
形状測定装置の構成を示す構成図である。

【図１４】 図１３の高さ信号生成手段の動作を説明す
るための説明図である。

【図１５】 さらに、この発明の他の実施の形態である
形状測定装置の構成を示す構成図である。

【図１６】 図１５の対数増幅手段の動作を説明するた
めの説明図である。

【符号の説明】

１ 被測定物、２ 光発生手段、３ 光走査手段、４
基準信号発生手段、５ 結像手段、６ 光電変換手段、
７ タイミング検出手段、８ 端部位置検出手段、９
高さ検出手段、１０ 端部位置検出手段、１１ 角度検
出手段、１２ 端部位置信号生成手段、１３ 高さ信号
生成手段、６１ 第１の光電変換素子列、６２ 第２の
光電変換素子列、６３ 第３の光電変換素子列。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 昌之 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 植木 勝也 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA00 AA24 AA47 AA53 DD04 FF01 FF32 FF65 HH04 HH18 JJ05 JJ25 LL15 MM16

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを発生する光発生手段、上記光
   ビームを所定の基準面又は上記基準面上に置かれた被測
   定物の表面に対して走査する光走査手段、上記光ビーム
   を受光し走査開始の基準信号を発生させる基準信号発生
   手段、上記走査された光ビームによる上記基準面又は上
   記基準面上に置かれた上記被測定物の表面からの反射光
   を受光してビームスポット光を結像させる結像手段、上
   記光ビームの走査にともない移動する上記ビームスポッ
   ト光を順次受光し得るように配設され上記ビームスポッ
   ト光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する
   光電変換手段、上記電気信号の立ち上がり又は立ち下が
   りのタイミングを検出するタイミング検出手段、予め上
   記基準面を走査して得られた上記電気信号の立ち上がり
   又は立ち下がりのタイミングを基準タイミングとして記
   憶する基準タイミング記憶手段、上記基準タイミングと
   上記基準面上に置かれた被測定物の表面を走査したとき
   の上記電気信号の立ち上がり又は立ち下がりのタイミン
   グである測定タイミングとに基づいて上記被測定物の表
   面から上記基準面までの距離を求めて上記被測定物の表
   面形状を決定する表面形状決定手段、及び上記基準信号
   と上記測定タイミングとに基づいて上記被測定物の端部
   位置を求める端部位置決定手段を備えた形状測定装置。
2. 【請求項２】 上記光電変換手段の複数の光電変換素子
   は上記ビームスポット光の移動方向に間に離隔部を設け
   て配設されたものであり、上記光発生手段が発生する光
   ビームは上記スポットビーム光の大きさが上記光電変換
   素子間の離隔部よりも所定寸法大きいものとなるような
   大きさのものであることを特徴とする請求項１に記載の
   形状測定装置。
3. 【請求項３】 上記光電変換手段は、上記ビームスポッ
   ト光の移動方向に配設され上記ビームスポット光を受光
   して測定用の電気信号に変換する測定用の複数の光電変
   換素子を有する測定用光電変換素子列と、上記ビームス
   ポット光の移動方向に配設されるとともに上記第１の光
   電変換素子列と隣接して配置され背景光を受光して背景
   光用の電気信号に変換する背景光用の複数の光電変換素
   子を有する背景光用光電変換素子列とが設けられたもの
   であって、上記測定用光電変換素子列から出力される上
   記測定用の電気信号を上記背景光用光電変換素子列から
   出力される上記背景光用の電気信号により補正するもの
   であることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装
   置。
4. 【請求項４】 上記光電変換手段は、上記ビームスポッ
   ト光の移動方向に間に第１の離隔部を設けて配設された
   複数の第１の光電変換素子を有する第１の光電変換素子
   列と、上記ビームスポット光の移動方向に間に第２の離
   隔部を設けて配設された複数の第２の光電変換素子を有
   し上記第１の光電変換素子列に隣接してかつ上記第２の
   離隔部が上記第１の離隔部と上記ビームスポット光の移
   動方向と直交する方向に重ならないようにして配置され
   たものである第２の光電変換素列とが設けられ、上記第
   １及び第２の光電変換素子列により上記ビームスポット
   光を受光するものであることを特徴とする請求項１に記
   載の形状測定装置。
5. 【請求項５】 上記表面形状決定手段により求められた
   上記被測定物の表面から上記基準面までの距離に基づい
   て上記被測定物の端部位置を補正する端部位置補正手段
   が設けられたものであることを特徴とする請求項１に記
   載の形状測定装置。
6. 【請求項６】 上記光ビームの走査角度を検出する角度
   検出手段が設けられたものであって、上記タイミング検
   出手段は上記走査角度に基づき上記電気信号の立ち上り
   又は立ち下がりのタイミングを補正するものであること
   を特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
7. 【請求項７】 上記タイミング検出手段により検出され
   た上記測定タイミングに基づき新たな１つの端部位置検
   出用の信号を生成する端部位置信号生成手段が設けられ
   たものであって、端部位置決定手段は上記基準信号と上
   記端部位置検出用の信号とに基づいて上記被測定物の端
   部位置を決定するものであることを特徴とする請求項１
   に記載の形状測定装置。
8. 【請求項８】 上記タイミング検出手段により検出され
   た上記測定タイミングに基づき新たな１つの距離検出用
   の信号を生成する距離信号生成手段が設けられたもので
   あって、表面形状決定手段は上記基準タイミングと上記
   距離検出用の信号とに基づいて上記被測定物の表面から
   上記基準面までの距離を決定するものであることを特徴
   とする請求項１に記載の形状測定装置。
9. 【請求項９】 上記光電変換素子により変換された電気
   信号を対数増幅する対数増幅手段が設けられたものであ
   って、上記タイミング検出手段は上記対数増幅手段によ
   って増幅された上記電気信号の立ち上がり又は立ち下が
   りのタイミングを検出するものであることを特徴とする
   請求項１に記載の形状測定装置。