JP2011209034A - Measurement method by laser displacement gauge, and circuit for controlling the method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、或る種の試料の表面状態を検査するレーザー変位計に関するものである。 The present invention relates to a laser displacement meter for inspecting the surface condition of a certain sample.
例えば、曲率の高いレンズ等表面に形成される0.1mmでの高さ凹凸を測定するには、従来は干渉計の如きが用いられてきたが、極めて高価であることからレーザー変位計が採用されるようになってきている。レーザー変位計は、測長分解能が高いこと、非接触で行えること、といった利点により、多くの工業製品の表面状態の検査に使用されているのである。 For example, in order to measure the height unevenness at 0.1 mm formed on the surface of a lens with high curvature, an interferometer has been used in the past, but a laser displacement meter is used because it is extremely expensive. It is becoming. Laser displacement meters are used for inspection of the surface condition of many industrial products because of their advantages such as high measurement resolution and non-contact.
周知のように、レーザー変位計は、半導体レーザーからのレーザービームを測定物に走査し、反射ビームの強弱を受光素子で電圧数値として測定することにより測長するものであり、測長範囲はレーザー変位計個々に依存し、測長分解能を高く求めようとすると側長範囲が狭くなり、側長範囲を広くとろうとすると側長分解能が低くなる。 As is well known, a laser displacement meter measures a length by scanning a laser beam from a semiconductor laser on a measurement object and measuring the intensity of the reflected beam as a voltage value with a light receiving element. Depending on the displacement meter, if the length measurement resolution is to be obtained high, the side length range is narrowed, and if the side length range is to be widened, the side length resolution is lowered.
即ち或る装置Aでは、側長範囲は±0.3mmであるが測長分解能は0.01μmまで求められるのに対し、或る装置Bでは、側長範囲は±5.3mmであるものの測長分解能は0.05μmとなるが如きであり、更には測定物の厚さが側長範囲を超えてしまうと測定できない。 That is, in some apparatus A, the side length range is ± 0.3 mm, but the length measurement resolution is required to 0.01 μm, whereas in some apparatus B, the side length range is ± 5.3 mm, but the length measurement resolution is However, it cannot be measured when the thickness of the measured object exceeds the lateral length range.
図1は、測定物1表面の凸部2を極端に表現したものであり、レーザー変位計3から測定物1までの間隔Dが固定されていて、図1(a)の状態では測定物1のレベルa位置でレーザービームは反射する。ここでのレーザー変位計3の測長範囲dはレベルaからレベルbまでであり、レベルaの形態を測定することができる。
FIG. 1 is an extreme representation of the
しかしながら図1(a)の状態から測定物1が乗載するXYステージ(図示省略)を動作させて例えばX方向に走査し、図1(b)の状態になると、凸部2に於けるレベルbを超える高さ(厚さ)の範囲については測長範囲d外なので測定不能である。 However, from the state of FIG. 1A, an XY stage (not shown) on which the measurement object 1 is mounted is operated to scan in the X direction, for example, and when the state of FIG. The range of height (thickness) exceeding b cannot be measured because it is outside the measurement range d.
そこで従来は、レーザー変位計3をZ方向に移動可能な移動ステージ4に装着し、測長範囲を補う手段が採られていた。即ち図2(a)にあって、レーザー変位計3から測定物1までの間隔Dが固定されているので測定物1のレベルa位置を測定することができる。そして測定物1をX方向に走査して、図2(b)の状態になって凸部2に対向したならば、先ず、上位位置のレベルa´を仮設定すると共にレベルaの位置を測定し、レベルaからレベルa´までの間隔だけ移動ステージ4を上昇させ、ここでのレーザー変位計3の測長範囲dをレベルa´からレベルb´に設定して測定するのである。
Therefore, conventionally, a means has been adopted in which the
しかしながらこの手段では、予め測定物1表面の凸部2の形状を調べなければならないことになるので、測定情報の設定や測定の点で極めて効率の悪いものになる。
However, with this means, the shape of the
特許文献1の発明「寸法測定装置」に於ける図2の説明では、レーザー変位計を用いて非接触による測定手段が開示されているが、上記した図1で明らかにした問題が解決されていない。 In the description of FIG. 2 in the invention “dimension measuring apparatus” of Patent Document 1, a non-contact measuring means is disclosed using a laser displacement meter, but the problem clarified in FIG. 1 described above has been solved. Absent.
また、特許文献2の発明「表面形状測定方法及び測定システム」は、凹凸の発生する以前と以後の被測定物の表面形状を夫々測定して比較する構成で、上記した図2で明らかにした不都合と同様の欠点がある。
In addition, the invention “surface shape measuring method and measuring system” of
よって本発明は、上述した従来技術の欠点、不都合、不満を解消するべく発明されたものであって、レーザー変位計を用い、予めの測定情報の設定を行うことなく、簡便且つ精度高く測定物の表面状態を検査できるようにすることを目的とする。 Therefore, the present invention has been invented to eliminate the above-mentioned drawbacks, disadvantages, and dissatisfactions of the prior art, and uses a laser displacement meter to easily and accurately measure an object without setting measurement information in advance. It is intended to be able to inspect the surface condition of the.
上記課題を解決するため、本発明は、測定物の表面状態を検査するレーザー変位計による計測方法であって、レーザー変位計をリニアエンコーダーを実装したZ方向への移動ステージに装着し、測長範囲dのd/2の位置レベルの電圧出力が常に0Vとなるようにリニアエンコーダーを介して前記した移動ステージをZ方向に移動させることにより、測定物の表面とレーザー変位計との距離を一定に維持することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a measurement method using a laser displacement meter that inspects the surface state of a measurement object. The laser displacement meter is mounted on a moving stage in the Z direction on which a linear encoder is mounted, and a length measurement is performed. The distance between the surface of the object to be measured and the laser displacement meter is fixed by moving the moving stage in the Z direction via a linear encoder so that the voltage output at the position d / 2 in the range d is always 0V. It is characterized by maintaining to.
また、本発明のレーザー変位計による計測方法の制御回路は、±10Vのレーザー変位計の電圧出力が入力される入力部と、この入力部からの信号をプラス側とマイナス側の2極信号に生成する比較部と、前記した入力部からの信号を0V近傍信号に生成するAD変換部と、前記した比較部の比較信号と前記したAD変換部の近傍信号との2信号を用いてリニアエンコーダを介し、ステージのZ方向移動を制御する制御部と、から構成されることを特徴とする。 In addition, the control circuit of the measuring method using the laser displacement meter according to the present invention includes an input unit to which a voltage output of a ± 10 V laser displacement meter is input, and a signal from this input unit is converted into a positive and negative two-pole signal. A linear encoder using two signals: a comparison unit to be generated, an AD conversion unit that generates a signal from the input unit as a 0 V neighborhood signal, and a comparison signal from the comparison unit and a neighborhood signal from the AD conversion unit And a control unit that controls the movement of the stage in the Z direction.
レーザー変位計は検出距離によって−10Vから+10Vの電圧を出力するが、この範囲は測長範囲dに相当し、d/2の位置レベルの電圧出力が0Vである。従って移動ステージのZ方向移動を電圧出力が常に0Vとなるようにリニアエンコーダーの値を変位情報として介して制御すれば、測定物の表面とレーザー変位計との距離が常に一定に固定維持できるので、個々のレーザー変位計の測長範囲の値に左右されることなく、測長が可能となるのである。 The laser displacement meter outputs a voltage of −10 V to +10 V depending on the detection distance. This range corresponds to the measurement range d, and the voltage output at the position level of d / 2 is 0V. Therefore, if the value of the linear encoder is controlled as displacement information so that the movement of the moving stage in the Z direction is always 0 V, the distance between the surface of the object to be measured and the laser displacement meter can always be kept constant. Therefore, length measurement is possible without being influenced by the value of the length measurement range of each laser displacement meter.
レーザー変位計の位置電圧情報の直線性は、0V近傍では高くて極めて正確であるが、−10Vや+10V近傍では低くて不正確である。この点本発明では、本来直線性の高い例えば0.1μmのリニアエンコーダーを位置電圧情報源とし、レーザー変位計の直線性の高い0V近傍で使用しているので、極めて正確である。 The linearity of the positional voltage information of the laser displacement meter is high and extremely accurate near 0V, but is low and inaccurate near -10V and + 10V. In this respect, in the present invention, a linear encoder having a high linearity, for example, 0.1 μm is used as a position voltage information source and is used in the vicinity of 0 V where the linearity of the laser displacement meter is high.
そして側長分解能の低いレーザー変位計、例えば側長分解能1μmの製品を使用したとしても、0Vを通過する点は1点だけであるから、本発明では0.1μmの分解能で測定できることになる等、多くの優れた作用効果を奏する。 Even if a laser displacement meter with a low side length resolution, for example, a product with a side length resolution of 1 μm is used, only one point passes 0 V, so that the present invention can measure with a resolution of 0.1 μm. There are many excellent effects.
レーザー変位計3はリニアエンコーダー5を実装したZ方向への移動ステージ4に装着され、測定物1はXYステージ(図示省略)に乗載されており、レーザー変位計3から測定物1までの固定された間隔Dは、図3(a)では測定物1の表面であるレベルa位置でレーザービームが反射するように設定される。この場合レーザー変位計3の測長範囲dはレベルaからレベルbまでであり、測長範囲dのd/2の位置レベルの電圧出力が0Vである。
The
この状態でXYステージを動作させてX方向に走査し、測定物1表面の凸部2にレーザービームが照射されると(図3(b))、リニアエンコーダー5を介して測長範囲dのd/2の位置レベルの電圧出力が0Vとなるように移動ステージ4のモータコントローラを制御し、移動ステージ4をZ方向に上昇させて、測定物1の表面とレーザー変位計3との距離Dを一定に維持する。
In this state, the XY stage is operated to scan in the X direction, and when the
図5は、本発明を達成するにあたっての回路図であり、入力部6に±10Vのレーザー変位計3の電圧出力が入力されると、比較部7でプラス側とマイナス側の2極信号が生成され、AD変換部8では0V近傍信号が生成される。そして、制御部9では、この比較信号と近傍信号の2信号を用いてリニアエンコーダ5を介し、ステージ4のZ方向移動を制御するのである。
FIG. 5 is a circuit diagram for achieving the present invention. When the voltage output of the
図4にあって、測定範囲内での電圧の変化を示したが、−10Vや+10V近傍では直線性が不安定であるもの、0V近傍では直線であってレーザー変位計3の位置電圧情報は高く、その場合でも、±2Vまでの近傍が望ましい。但し、前述したように0Vを通過する1点だけでの計測である限り、誤差は生じない。
FIG. 4 shows the change in voltage within the measurement range. The linearity is unstable in the vicinity of −10 V and +10 V, and the linear voltage is in the vicinity of 0 V, and the position voltage information of the
1 測定物
2 凸部
3 レーザー変位計
4 Z方向移動ステージ
5 リニアエンコーダー
6 入力部
7 比較部
8 AD変換部
9 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measuring
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JP2010075640A JP2011209034A (en) | 2010-03-29 | 2010-03-29 | Measurement method by laser displacement gauge, and circuit for controlling the method |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103292732A (en) * | 2013-05-20 | 2013-09-11 | 华中科技大学 | Method and telescopic device for measuring large free-form surfaces in on-machine manner |
JP2016099221A (en) * | 2014-11-21 | 2016-05-30 | 株式会社小野測器 | Probe device, laser measurement device, and laser measurement system |
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