JP3668129B2 - 光学式寸法測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式寸法測定方法及び装置に係り、特に、レーザ走査型外形測定器や光学式変位計に用いるのに好適な、発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザにより発振されるレーザ光を用いて、測定対象物の寸法や変位を測定する光学式寸法測定方法及び装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を用いて測定対象物の寸法や変位を測定する装置に、特開２０００−８８５２８に記載されているように、レーザ光の平行走査範囲内に配置した測定対象物によって生じる影の長さを測定することにより測定対象物の外形を測定するレーザ走査型外形測定器や、特公平４−４９０４８に記載されているように、測定対象面に投影したレーザ光の反射光の位置の、測定対象面の変位による変化を、ＰＳＤ等の位置検出素子を用いて測定する、三角測量方式の光学式変位計や、特開平７−４３１４８に記載されているように、オートフォーカス機構を利用して、合焦位置の変化から測定対象面の変位を測定する、合焦方式の光学式変位計がある。
【０００３】
このようなレーザ光を利用した寸法測定装置において、従来は、発振スペクトルが拡散しているマルチモードの半導体レーザが用いられていたが、近年、製品の集約化により、使用可能な半導体レーザの種類が減っており、図１に示す如く、発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザが主流になり、マルチモードの半導体レーザは入手が困難になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シングルモードの半導体レーザにおける発振波長とケース温度特性の関係の例は図２に示す如くであり、周囲温度の変化によって発振モードが変化し、発振波長が変化する、いわゆるモードホップ現象が生じるため、特に精密な測定が要求される寸法測定装置においては、大きな問題となっていた。
【０００５】
例えばレーザ走査型外形測定器においては、図３に示す如く、図示しない半導体レーザから照射されたレーザ光１０を、回転しているポリゴンミラー１２により反射し、ｆ−θレンズ１４により平行走査光１６とした後、測定対象物８に投影しているが、モードホップにより発振波長が変化すると、レーザ光の波長変化のため、ｆ−θレンズ１４の収差により、一定の速度で走査する平行走査光１６Ａが、１６Ｂ又は１６Ｃのように変化して、測定対象物８の影の時間Ｔに誤差を生じ、１６Ｂのように平行走査光が外側に広がった場合には、測定対象物８の外形が小さくなる方向に、逆に１６Ｃのように平行走査光が狭まった場合には、測定対象物８の外形が大きくなる方向に誤差を生じる。特に、特定の温度下で、微妙な温度変化によりモードホップが現われた場合は、急激な測定値変化となって現われ、使用者に外形測定器が故障したような印象を与える。
【０００６】
以前の外形測定器は、繰り返し精度が比較的悪かったため、モードホップの現象は問題とならなかったが、高精度化を進めた結果、モードホップ現象が顕著に現われ、大きな問題点となっている。
【０００７】
又、前記三角測量方式の光学式変位計では、モードホップにより発振波長が変化すると、レンズの屈折角が波長で変化するため、反射光がＰＳＤに当る位置が変化し、更に、合焦方式の光学式変位計では、直接焦点距離を使っているため、モードホップにより発振波長が変化すると、レンズの屈折角が波長で変化するため、焦点位置が変化すると、直接検出誤差となって現われる。又、可視光レーザでマルチモードがないため、可視光レーザが使えず、不可視レーザを採用しているため、測定点が見えず、別途測定点確認用ランプを必要とする等の問題点を有する。
【０００８】
なお、図２に示したような温度特性が、例えば線形で、且つ一定していれば、温度を検出して補正を行うことも考えられるが、温度特性が線型でなく階段状で、しかも、製品毎に階段特性が変化するため、温度を検出して補正を行うことは現実的に不可能である。
【０００９】
又、ＤＶＤやＭＤにおいても、本願と同様の高周波重畳が行われているが、ＤＶＤやＭＤでは、ディスクの反りや変形に追従するようサーボをかけており、本願とは目的が異なる。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、周囲温度が変化しても、測定値が急激に変化しないようにすることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザにより発振されるレーザ光を、レンズを通過させて、測定対象物の寸法や変位を測定する光学式寸法測定方法において、半導体レーザの動作電流に高周波変調をかけ、半導体レーザをマルチモード化して、モードホップによるレンズ通過後のレーザ光進行方向の急変を抑制するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１２】
本発明は、又、発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザにより発振されるレーザ光を、レンズを通過させて、測定対象物の寸法や変位を測定する光学式寸法測定装置において、半導体レーザの動作電流に高周波変調をかけるための高周波重畳回路を設け、半導体レーザをマルチモード化して、モードホップによるレンズ通過後のレーザ光進行方向の急変を抑制することにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本発明においては、図４に示す如く、例えばフォトダイオード（ＰＤ）２２を含む自動出力調整回路（ＡＰＣ）２４により出力が一定に保たれている半導体レーザ（ＬＤ）２０に、更に、レーザの動作電流を、数１００ＭＨｚ、例えば４００〜５００ＭＨｚの高周波で変調する高周波重畳回路２６を設けたものである。
【００１５】
前記半導体レーザ２０の駆動用順電流と光出力の関係の例を図５に示す。
【００１６】
高周波を重畳しないときには、図１に示したようなシングルモードの発振スペクトラムであったものが、高周波を重畳することによって、図６に示すようなマルチモードと同様の発振スペクトラムとなる。従って、シングルモードの半導体レーザを用いて、マルチモードの発振スペクトラムを得ることができる。
【００１７】
以下、レーザ走査型外形測定器に適用した本発明の第１実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
本実施形態は、図７に示す如く構成される。図において、発光部３０は、測定対象物８が配置された測定範囲に対し、走査ビーム１６を照射する。受光部５０は、走査ビーム１６の一部、即ち測定対象物８によって遮られなかったビームを受光し、これに対応した受光信号を送出する。そして、受光信号に基づき、演算部６０により測定対象物８の寸法の測定が行われる。
【００１９】
前記発光部３０は、半導体レーザ２０を含み、この半導体レーザ２０からは、レーザ光１０が出力される。なお、半導体レーザ２０には、従来と同様のＡＰＣ２４及び本発明に係る高周波重畳電源回路２６が接続されている。
【００２０】
レーザ光１０は、ミラー３２により偏光され、ポリゴンミラー１２に導かれる。ポリゴンミラー１２は、これと同軸に配置されたモータ３４により回転する。クロック回路６２からはクロックパルスが出力され、これに同期した駆動信号がモータ同期回路３６から出力される。モータ同期回路３６の出力に基づき、モータ駆動回路３８は、モータ３４に対し電力を供給し、これを駆動する。従って、ポリゴンミラー１２は、クロックパルスに対して所定の関係をもった速度で回転する。
【００２１】
回転するポリゴンミラー１２によってレーザ光１０が反射され、更にｆ−θレンズ１４を通過することによって、平行な走査ビーム１６が形成される。
【００２２】
発光部３０には、更に、前記ｆ−θレンズ１４の外側に受光素子４０が配置されている。受光素子４０は、レーザ光がｆ−θレンズ１４を通過する範囲の１回の走査が終了した後、レーザ光を受光する位置に配置されており、受光するとパルス状の信号を出力する。従って、受光素子４０の受光信号は、レーザ光の１回の走査が終わる毎に１回出力される。
【００２３】
前記受光部５０において、平行な走査ビーム１６は、レンズ５２により、受光素子５４上に集光される。受光素子５４は、走査ビーム１６を受光しているときはハイとなり、受光していないときはローとなる信号を送出し、この信号はアンプ５６によって増幅され、演算部６０に送出される。測定対象物８により走査ビーム１６が遮られ、受光素子５４に到達しなければ、受光素子５４はロー信号を出力する。従って、走査ビーム１６が測定範囲内を走査しているときであっても、ロー信号となっている期間を測定すれば、測定対象物８の走査面内での走査方向の寸法を測定することができる。この寸法測定を演算部６０が行う。
【００２４】
演算部６０において、前記アンプ５６の信号は、まずエッジ検出回路６４に入力する。エッジ検出回路６４は、ローからハイに変化する立上がりと、ハイからローに変化する立下がりの双方のエッジを検出する。エッジ検出回路６４は、前記立上がり、立下がりのいずれかのエッジが検出されたとき、エッジ検出信号をゲート回路６６に送出する。ゲート回路６６には、前記クロック回路６２からのパルス信号も入力されており、エッジ検出信号の入力に従い、クロックパルスのカウンタ６８への送出の開始、停止の制御を行う。測定対象物８の寸法を測定したいのであれば、立下がりエッジを検出したときから次の立上がりエッジを検出したときまで、クロックパルスを計数すればよい。
【００２５】
発光部３０に設けられた受光素子４０によりレーザ光１０が検出されると、受光信号がリセット回路７０に送出される。リセット回路７０は、方形パルス波のリセット信号をゲート回路６６に送出し、ゲート回路６６は、これを受けて全てのカウンタの動作を停止させる。又、リセット信号は、バスを介してＣＰＵ（中央処理装置）７２にも送出され、ＣＰＵ７２は、カウンタ６８の計数値を読み取り、測定対象物８の寸法の算出を行う。走行ビーム１６の走査は、クロックパルスに同期して走査されているので、カウンタ６８で計数されたクロックパルスの数は、計数が開始された位置から停止された位置まで長さ（寸法）に対応している。又、計数が開始されてから停止されるまでの時間にも対応している。
【００２６】
算出された値は、入出力回路７４を介して表示装置や印刷装置などの外部出力装置に送出される。又、ＣＰＵ７２には、寸法算出のためのプログラムなどが記憶されたＲＯＭやＲＡＭ等の記憶装置７６と、寸法の算出に必要な定数などを入力するためのキーボード７８が、バスを介して接続されている。
【００２７】
受光素子５２による測定波形の例を図８に示す。
【００２８】
高周波を重畳する前は、図９に示すような直径測定値温度特性を有していた外径測定器が、高周波を重畳してマルチモード化することによって、図１０に示すような直径測定値温度特性となり、大きく改善することができた。
【００２９】
又、マルチモード化によりスペクトルが拡散し、ピークに集中しなくなるため、干渉が小さくなり、図８の下段に示した、スレッショルドの狂いによる測定対象物８の位置が中心から上下にずれたときのアップダウン誤差も小さくなる。
【００３０】
前記高周波重畳回路２６により重畳する高周波の振幅及び周波数は、図１０に示すようなデータが得られるように調整する。
【００３１】
次に、三角測量方式の光学式変位計に適用した本発明の第２実施形態を図１１に示す。本実施形態は、半導体レーザ２０と、レンズ７９と、ＰＳＤ８０と、該ＰＳＤ８０上の受光波形の重心を算出する重心算出回路８４、該重心の位置から測定対象面９の変位を算出する変位算出回路８６を含む検出回路８２とを備えた光学式変位計において、前記半導体レーザ２０に、ＡＰＣ２４に加えて高周波重畳回路２６を設けたものである。
【００３２】
次に、合焦方式の光学式変位計に適用した本発明の第３実施形態を図１２に示す。
【００３３】
本実施形態は、変位計本体９０と、この変位計本体９０に対して対物レンズ９２を図で上下方向へ移動自在に保持する対物レンズホルダ９４と、この対物レンズホルダ９４を上下方向へ駆動させるボイスコイル９６と、前記対物レンズホルダ９２の上下方向位置を検出するリニアエンコーダ９８と含んで構成されている。
【００３４】
前記ボイスコイル９６は、前記変位計本体９０に固定されたマグネット９６Ａと、前記対物レンズホルダ９４に固定されたコイル９６Ｂとから構成されている。
【００３５】
前記リニアエンコーダ９８は、前記対物レンズホルダ９４に一端が固定されたスケール９８Ａと、前記変位計本体９０にスケール９８Ａに対向して固定された検出器９８Ｂとから構成されている。
【００３６】
前記変位計本体９０には、半導体レーザ２０と、この半導体レーザ２０から放射された光を測定対象面９に向けて反射するビームスプリッタ１００と、このビームスプリッタ１００により進行方向を変えられた光を平行ビームとして前記対物レンズ９２へ向けるコリメータレンズ１０２と、測定対象面９からの反射光を結像する結像レンズ１０４と、この結像レンズ１０４を通過した光を分割するビームスプリッタ１０６と、このビームスプリッタ１０６により分割された各分割反射光の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置されたピンホール板１０８Ａ、１０８Ｂと、各ピンホール板１０８Ａ、１０８Ｂを通過した分割反射光の光量をそれぞれ検出する光検出器１１０Ａ、１１０Ｂとが設けられている。
【００３７】
検出回路１２０は、前記各光検出器１１０Ａ、１１０Ｂの出力電流を電圧に変換する電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器１２２Ａ、１２２Ｂと、各Ｉ−Ｖ変換器１２２Ａ、１２２Ｂの出力電圧を増幅する増幅器１２４Ａ、１２４Ｂと、両増幅器１２４Ａ、１２４Ｂの出力の差を演算する差演算器１２６と、両増幅器１２４Ａ、１２４Ｂの出力の和を演算する和演算器１２８と、前記差演算器１２６の出力を和演算器１２８の出力で割ってＳ字状カーブのフォーカスエラー信号Ｓとする徐算器１３０とから構成されている。
【００３８】
いま、各分割反射光の合焦位置から各ピンホール板１０８Ａ、１０８Ｂまでの距離が互いに等しくなるように設定すると、各光検出器１１０Ａ、１１０Ｂの出力は図１３のようになる。そのとき、検出回路１２０から得られるフォーカスエラー信号Ｓは、図１４にように、Ｓ字状カーブとなり、測定対象面１０の変位に応じた信号となる。従って、フォーカスエラー信号Ｓを基に、対物レンズ９２が常に測定対象面９に焦点を結ぶように、ボイスコイル９６を制御すれば、そのときのリニアエンコーダ９８の出力を測定値として出力することができる。
【００３９】
本実施形態においても、半導体レーザ２０に、ＡＰＣ２４に加えて高周波重畳回路２６を接続した点が従来例と異なる。
【００４０】
なお、前記実施形態においては、本発明が、レーザ走査型外形測定器や光学式変位計に適用されていたが、本発明の適用対象は、これに限定されない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、シングルモードの半導体レーザを用いても、マルチモード化することができ、温度変化による測定値の急激な変化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の問題点を説明するための、半導体レーザのシングルモードの発振スペクトラムの例を示す線図
【図２】同じくモードホップの例を示す線図
【図３】同じくレーザ走査型外形測定器における測定状態の例を示す断面図
【図４】本発明に係る寸法測定装置の半導体レーザの電源回路の構成例を示すブロック線図
【図５】同じく半導体レーザの駆動用順電流と光出力の関係の例を示す線図
【図６】同じく半導体レーザの発振スペクトラムの例を示す線図
【図７】レーザ走査型外形測定器に適用した本発明の第１実施形態を示すブロック図
【図８】第１実施形態における受光素子の出力波形の例を示す線図
【図９】同じく高周波を重畳する前の温度特性の例を示す線図
【図１０】同じく高周波を重畳しマルチモード化した後の温度特性の例を示す線図
【図１１】三角測量方式の光学式変位計に適用した本発明の第２実施形態を示す正面図
【図１２】合焦方式の光学式変位計に適用した本発明の第３実施形態の構成を示す断面図
【図１３】第３実施形態の光検出器の出力波形の例を示す線図
【図１４】同じくフォーカスエラー信号の例を示す線図
【符号の説明】
８…測定対象物
９…測定対象面
１０…レーザ光
１２…ポリゴンミラー
１４…ｆ−θレンズ
１６、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ…平行走査光
２０…半導体レーザ（ＬＤ）
２２…フォトダイオード（ＰＤ）
２４…自動出力調整回路（ＡＰＣ）
２６…高周波重畳回路

Claims (2)

1. 発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザにより発振されるレーザ光を、レンズを通過させて、測定対象物の寸法や変位を測定する光学式寸法測定方法において、
   半導体レーザの動作電流に高周波変調をかけ、
   半導体レーザをマルチモード化して、モードホップによるレンズ通過後のレーザ光進行方向の急変を抑制したことを特徴とする光学式寸法測定方法。
2. 発振スペクトルが集中したシングルモードの半導体レーザにより発振されるレーザ光を、レンズを通過させて、測定対象物の寸法や変位を測定する光学式寸法測定装置において、
   半導体レーザの動作電流に高周波変調をかけるための高周波重畳回路を設け、
   半導体レーザをマルチモード化して、モードホップによるレンズ通過後のレーザ光進行方向の急変を抑制したことを特徴とする光学式寸法測定装置。

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