JP2731644B2 - 光学式寸法測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査ビーム径より細い
ワークの寸法を高精度に測定可能とする走査型の光学式
寸法測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームを平行に走査して測定対象
物（ワーク）に照射し、このワークの後側で検出した走
査方向の明暗パターンからワークの寸法を測定する走査
型の光学式測定装置がある。

【０００３】図４はこの種の光学式測定装置の一例を示
す構成図である。図中、１０はレーザ光源であり、この
レーザ光源１０から出力されたレーザビーム１２はポリ
ゴンミラー１４で回転走査ビーム１６に変換され、更に
ｆ−θレンズ１８でビーム径を絞った等速度の平行走査
ビーム２０に変換される。この平行走査ビーム２０はポ
リゴンミラー１４の回転に伴いワーク２２を含む測定領
域を走査するように照射され、集光レンズ２４を通して
測定用受光素子２６に入射する。２８はレーザビーム１
２を反射させてポリゴンミラー１４に入射するミラー、
３０はポリゴンミラー１４を回転させるモータ、３２は
回転走査ビーム１６の有効走査範囲外に配置され、１走
査の開始又は終了を検出するリセット用受光素子であ
る。

【０００４】測定用受光素子２６の出力はアンプ４８で
増幅された後、エッジ検出回路５０に入力する。このエ
ッジ検出回路５０は、アンプ４８の出力を波形成形して
エッジ検出を行う。一方、リセット用受光素子３２の出
力はリセット回路５２に入力する。このリセット回路５
２はリセット用受光素子３２の出力タイミングを基にリ
セット信号を発生する。

【０００５】ゲート回路５６はエッジ検出回路５０から
出力されるエッジ信号やリセット回路５２から出力され
るリセット信号のタイミングでオン、オフし、カウンタ
５８はゲート回路５６のオン期間に入力されるクロック
を計数して信号間の時間を計測する。このクロックはク
ロック発生器５４で発生され、モータ３０の回転同期に
も使用される。６０はこのための同期信号発生器であ
り、また６２はモータ駆動回路である。レーザ出力調整
回路６４はレーザ光源１０の出力を一定に保つ。４０は
各種の処理及び制御を行うＣＰＵ、４２はキーボード表
示回路、４４は入出力装置、４６はリードオンリメモリ
（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含む
記憶装置である。

【０００６】アンプ４８の出力（スキャン信号）は図５
に示すように、走査範囲の全体がレベルの高い明部とな
り、その中のワーク部分がレベルの低い暗部となる。従
って、この暗部の幅からワークの寸法が計測できる。こ
の原理を実現するため、エッジ検出回路５０はこのスキ
ャン信号を所定のスレッショルドレベルで２値化し、エ
ッジ信号に変換する。このとき、暗部が実線のように幅
狭で深い（シャープな）場合と、破線のように幅広で浅
い場合とでは、同じスレッショルドレベルで２値化した
場合に異なるエッジ信号が得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般にワークがビーム
の焦点位置にあると実線のようにシャープな暗部が得ら
れる。これに対し、ワークが焦点位置からずれると破線
のようなシャープでない暗部となる。この様なケースで
はスキャン信号両端部の傾き（ガウス分布をしている）
が変化すると測定精度が低下する。この度合いは、図６
のようにビームウエストを極端に細く絞ったレーザビー
ムの場合には顕著である。例えば、直径３ｍｍのレーザ
ビームを焦点距離４５ｍｍのｆ−θレンズで直径２５μ
ｍに絞った場合、ワークが焦点から僅かでも離れると、
ワークに照射されるビーム径が極端に太くなる。このた
め、ワークがビームウエストより細く、例えば直径１０
μｍ程度の細線である場合には、破線のケースでは極端
に測定精度が低下する。

【０００８】従って、ワークをビームウエストの範囲内
に設置すれば良いが、ビームウエストのビーム進行方向
の長さは０．３ｍｍ程度と短いので、これを手動操作で
正確に行うことは極めて困難である。本発明は、このよ
うな点を改善し、ワークを常にビーム焦点に一致させる
ことにより、ビーム径より細いワーク寸法でも高い測定
精度で測定可能とすることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、所定の測定領域を平行ビームで走査すると
共に、この測定領域を通過したビームを測定用受光素子
で受光し、この受光素子で得られた走査方向の明暗パタ
ーンから前記測定領域に含まれるワークの寸法を測定す
る走査型の光学式寸法測定装置において、前記ビームの
焦点に対する前記ワークのビーム進行方向位置を検出す
る位置検出手段と、前記ワークを移動させ、又は前記ビ
ームの焦点を決定するコリメータレンズを移動させて、
前記位置検出手段で検出された前記ワークの位置を前記
ビームの焦点に一致させるサーボ手段とを備えてなるこ
とを特徴としている。

【００１０】本発明ではまた、前記位置検出手段が、前
記ビームを直接受光する第１の受光素子と、前記ビーム
をハーフミラーを介して受光する第２の受光素子とを備
え、両受光素子で得られる信号の位相関係から前記ビー
ム焦点に対する前記ワークの位置関係を検出するもので
あることを特徴としている。

【００１１】

【作用】ビーム焦点とワーク位置とのビーム進行方向誤
差を検出し、この誤差を零にするようにサーボをかける
システム構成にすると、ワークは常にビーム焦点に配置
されることになるため、ビームウエストが極端に絞り込
まれたビームでもそのビームウエスト部分にワークを位
置させることができ、特にビームウエストより細いワー
ク寸法でも高精度に計測することができる。

【００１２】また、ワークの位置検出を２つの受光素子
を分散配置し、且つハーフミラーを用いて行うと、受光
強度の最も強いビーム中央部を確実に受光できるので、
精度の高い位置検出が可能になる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明の一実施例を示す構成図で、図４の
寸法測定装置に付加する位置検出手段およびサーボ手段
を示している。レーザ光源１０、ポリゴンミラー１４、
ｆ−θレンズ１８、ワーク２２、集光レンズ２４、反射
ミラー２８は図１と同様の配置関係にある。但し、この
実施例のレーザ光源１０は、レーザダイオード７０とそ
のレーザビームを通過させるコリメータレンズ７２とか
らなり、このコリメータレンズ７２がアクチュエータ７
４により光軸方向に移動できるようになっている。この
アクチュエータ７４は、コリメータレンズ７２が数μｍ
移動すると焦点位置が数ｍｍも移動するため、例えば圧
電振動子やボイスコイルモータ等を用いる微小移動方式
で充分である。

【００１４】集光レンズ２４の後方には２つの位置検出
用受光素子Ｓ１，Ｓ２が配置され、一方の受光素子Ｓ２
には直接ビームが入射し、他方の受光素子Ｓ１にはハー
フミラー７６で反射したビームが入射するようになって
いる。これら受光素子Ｓ１，Ｓ２の受光出力はそれぞれ
アンプＡ１，Ａ２で増幅された後、波形成形回路７８で
エッジ情報を持つパルス波形Ｄ１，Ｄ２に変換される。
位相比較回路８０は２つのパルス列Ｄ１，Ｄ２の位相を
比較し、その位相差に応じたパルス幅を有し、且つ、進
み位相と遅れ位相とで極性を逆にした位相比較出力を発
生する。この位相比較出力は中央値が例えば５Ｖ、進み
位相側のピーク値が１０Ｖ、遅れ位相側のピーク値が０
Ｖである。

【００１５】積分器８２はこの位相比較出力を積分し、
また全波整流器８４はこの位相比較出力を全波整流して
サンプル信号を発生する。サンプルホールド回路８６は
サンプル信号が発生する毎に積分出力をサンプリングし
てホールドする。このサンプルホールド出力は加算器８
８に入力され、ここでバイアス電源９０から与えられる
バイアス電圧を加算されてアクチュエータドライバ９２
の入力になる。このバイアス電圧は可変型であり、希望
とする初期焦点位置の決定に利用される。ドライバ９２
はアクチュエータ７４を駆動するためのもので、以上の
閉ループでサーボ系が構成される。

【００１６】図２は図１の各部信号波形図であり、左半
分はＡ１出力の位相が進んでいる場合、右半分はＡ１の
位相が遅れている場合を示している。Ａ１出力もＡ２出
力もワーク２２によるシャープなレベル低下部（暗部）
を有する。この様なＡ１，Ａ２出力を波形成形すること
により、エッジ情報を有するパルス列Ｄ１，Ｄ２が得ら
れる。位相比較出力は進み位相と遅れ位相で極性が逆に
なるが、これを全波整流したサンプル信号は単極性にな
る。この例では、サンプルホールド回路８６のサンプリ
ングはサンプル信号の後縁（立下り）で行われる。

【００１７】図１のサーボ系は図３のようにしてビーム
焦点９４を移動させることができる。即ち、図３の
（ｂ）を基準とした場合、同図（ａ）のようにアクチュ
エータ７４によりコリメータレンズ７２をレーザダイオ
ード７０から遠ざけた場合には、ビーム焦点９４はｆ−
θレンズ１８に近づく。これとは逆に同図（ｃ）のよう
にコリメータレンズ７２をレーザダイオード７０に近づ
けた場合には、ビーム焦点９４はｆ−θレンズ１８から
遠ざかる。コリメータレンズ７２をいずれの方向にどれ
だけ移動させるかは、直前のビーム焦点９４とワーク２
２（図１参照）のビーム進行方向の位置ずれ量による。
したがって、このサーボ系を上記の位置ずれ量を零にす
る方向に作用させることにより、ワーク２２の位置とビ
ーム焦点９４とを常に一致した状態に保つことができ、
ビームウエストより細い系のワーク寸法でも高精度に測
定する事が可能になる。

【００１８】ここで、ワーク２２の位置検出方法を説明
する。実公昭５８−２６３２５号公報に記載された位置
検出法によると、ワーク２２がビーム焦点９４の前にあ
るか後にあるかで図２の位相比較出力の極性が反転し、
且つワークとビーム焦点との位置ずれ量が位相位相比較
出力のパルス幅に反映する。従って、この位置検出法を
図１に適用することができる。

【００１９】しかしながら、同公報による位置検出法
は、図８に示すように２つの受光素子Ｓ１，Ｓ２を近接
させ、理想的には密着させてレンズ光軸を両受光素子の
接触部に位置させるようにしている。ところが、実際に
２つの受光素子Ｓ１，Ｓ２を近接させても、完全に密着
させることは困難であり、両者の間に数１０μｍのギャ
ップ９６が生じる。このギャップ９６はビーム中央の受
光強度の最も高い部分９８に一致するため、この部分を
受光できない欠点を内包する。

【００２０】これに対し、図１のように受光素子Ｓ１，
Ｓ２を分離し、一方の受光素子は直接ビームを受光し、
他方の受光素子はハーフミラーを介して別の位置でビー
ムを受光するシステム構成にすると、次のような利点が
ある。例えば、図示のように一方の受光素子Ｓ１にはハ
ーフミラー７６で反射したビームをその中央部に入射す
る。このようにすると、ビームを直接受光する他方の受
光素子Ｓ２の下端をビーム中心に一致させるように配置
しても、受光素子Ｓ１によって図８のような受光強度最
強部９８を受光できるため、同図で説明したような欠落
が生じない。

【００２１】この方式を更に進めると、受光素子Ｓ１，
Ｓ２がいずれもエッジでビーム中心を受光しても図８の
ような欠落は生じない。何故ならば、ハーフミラー７６
を使用した場合、受光素子Ｓ１，Ｓ２の光学的位置を両
素子のエッジが密着するように個々に配置することがで
きるからである。

【００２２】ハーフミラー７６を用いることにより受光
素子Ｓ１に入射する光量そのものは半減するが、これは
後段のアンプＡ１で増幅すれば足りることなので、全く
問題にはならない。図１の構成では受光素子Ｓ１の出力
が和信号であるため、その出力をワーク寸法測定用とし
て図４のアンプ４８へ入力することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、走査
型の光学式寸法測定装置において、測定対象とするワー
クを常に走査ビームの焦点位置に一致させることができ
るので、ビーム径より細いワーク寸法でも高い測定精度
で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】 図１の動作波形図である。

【図３】 本発明のサーボ系の動作説明図である。

【図４】 走査型光学式寸法測定装置の構成図である。

【図５】 ワーク走査信号の波形図である。

【図６】 走査ビームの説明図である。

【図７】 ワーク位置検出法の説明図である。

【図８】 従来のワーク位置検出用受光素子の配置図で
ある。

【符号の説明】

Ｓ１，Ｓ２…受光素子、１０…レーザ光源、１４…ポリ
ゴンミラー、１８…ｆ−θミラー、２２…ワーク、２４
…集光レンズ、７０…レーザダイオード、７２…コリメ
ータレンズ、７４…アクチュエータ、７６…ハーフミラ
ー、７８…波形成形回路、８０…位相比較回路、８２…
積分器、８４…全波整流器、８６…サンプルホールド回
路、９２…アクチュエータドライバである。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の測定領域を平行ビームで走査する
   と共に、この測定領域を通過したビームを測定用受光素
   子で受光し、この受光素子で得られた走査方向の明暗パ
   ターンから前記測定領域に含まれるワークの寸法を測定
   する走査型の光学式寸法測定装置において、 前記ビームの焦点に対する前記ワークのビーム進行方向
   位置を検出する位置検出手段と、 前記ワークを移動させ、又は前記ビームの焦点を決定す
   るコリメータレンズを移動させて、前記位置検出手段で
   検出された前記ワークの位置を前記ビームの焦点に一致
   させるサーボ手段とを備えてなることを特徴とする走査
   型の光学式寸法測定装置。
2. 【請求項２】 前記位置検出手段が、前記ビームを直接
   受光する第１の受光素子と、前記ビームをハーフミラー
   を介して受光する第２の受光素子とを備え、両受光素子
   で得られる信号の位相関係から前記ビーム焦点に対する
   前記ワークの位置関係を検出するものであることを特徴
   とする請求項１の光学式寸法測定装置。