JP3894836B2

JP3894836B2 - エッジ検出装置

Info

Publication number: JP3894836B2
Application number: JP2002131516A
Authority: JP
Inventors: 泰三中村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2003322505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、平行な目盛線が複数本配列形成されたスケールの校正装置等に用いられる目盛線のエッジを光学的に検出するエッジ検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来スケールの目盛線エッジを光学的に検出する方法として、大きく分けて、目盛線エッジ像の明暗の変曲点を計測する変曲点法と、目盛線エッジ像の光相対強度を所定のレベルでスライスしてエッジ位置を求める光相対強度法とがある。前者には、受光素子前面に配置したスリットを振動させて得られる受光信号から変曲点を求める振動スリット法、二つの受光素子の出力信号を処理してその差動信号から変曲点を求める二元配置センサ法等がある。後者にも、ピンホール法、スリット法、画像処理法等がある。
【０００３】
従来のエッジ検出法には、一長一短があった。例えば変曲点法は、再現性がよく、操作性にも優れており、目盛線のエッジ間隔の測定は高精度にできるが、エッジ位置の正確な検出は難しい。光相対強度法は、高精度のエッジ位置測定が可能であるが、反面、明暗の１００％，０％合わせと、これらとの関係でスライスレベルの設定が必要である。
【０００４】
そこで、本出願人は、エッジ像に対する位置を少しずつずらして配置された３つのスリットを使用した３スリット法によるエッジ検出装置を提案している（特開平８−１４５６２１号、特開２０００−１７１２１０号公報）。この特開平８−１４５６２１号に開示されたエッジ検出装置を図６に基づいて説明する。
【０００５】
スケール１の目盛像を形成する光束が対物レンズ２で拡大されて第１のビームスプリッタ３に入り、その透過光が第２のビームスプリッタ４に入る。第２のビームスプリッタ４を透過した光は第１の受光素子５ａで受光される。また、第１のビームスプリッタ３で反射した光は第２の受光素子５ｂで受光され、第２のビームスプリッタ４で反射した光は第３の受光素子５ｃで受光される。なお、第１乃至第３の受光素子５ａ，５ｂ，５ｃの前方には、それぞれスリット６ａ、６ｂ、６ｃが配置され、各受光素子５ａ−５ｃは、このスリット６ａ−６ｃを介して光を受光するようになっている。
【０００６】
スリット６ａ，６ｂ，６ｃは、図７（ａ）に示すように、スケール１の移動方向に沿ってその配置位置が僅かずつ異なっている。このため、図７（ｂ）に示すように、受光素子５ａ，５ｂ，５ｃで受光され増幅器７ａ、７ｂ，７ｃで増幅された増幅信号Ａｏ，Ｂｏ，Ｃｏは、信号の立ち上がりのタイミングが僅かずつ異なっている。演算回路８において、この増幅信号を加減算した信号Ｄｏ＝Ａｏ＋Ｃｏ−２Ｂｏを取得する。この信号Ｄｏのゼロクロス点が、スケール１の目盛エッジ位置と一致するので、このゼロクロス位置を検出することにより、スケール１の目盛エッジ位置を検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方式では、３スリットを使用するため、測定可能なスケールのピッチの下限が限られてしまうという問題があった。すなわち、３つのスリット６ａ，６ｂ，６ｃのスリット幅が１０μｍ、各スリット間の間隔が１０μｍだとすると、３スリット全体の幅は３０μｍとなってしまう。このため、測定対象としてのスケールの目盛の線幅は、解像度の高い光学系を使用したとしても、像側に換算して３０μｍ程度が限界であり、それ以下の目盛ピッチのスケールの測定は困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、より狭ピッチのスケールの測定を可能としたエッジ検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明に係るエッジ検出装置は、平行な目盛線が複数本配列形成されたスケールの目盛線エッジを光学的に検出するエッジ検出装置において、前記スケールに斜め方向から光を投影することにより前記目盛線エッジにおいて散乱光を生じさせ目盛線エッジの線像を生じさせる暗視野照明光学系と、前記目盛線エッジの線像を拡大する対物レンズと、この対物レンズにより拡大された前記目盛線エッジの線像を形成する光を分岐させるビームスプリッタと、前記目盛線エッジと平行な第１のスリットを介して前記ビームスプリッタで分岐された一方の光を検出する受光面を持つ第１の受光手段と、前記目盛線エッジと平行で前記第１のスリットとは異なる位置に配置された第２のスリットを介して前記ビームスプリッタで分岐された他方の光を検出する受光面を持つ第２の受光手段と、前記第１及び第２の受光手段の出力の差分を演算してエッジ検出信号を生成する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、暗視野照明光学系により、前記スケールに斜め方向から光が投影され、前記目盛線エッジにおいて散乱光を生じ、これにより前記目盛線エッジの線像を生じる。この前記目盛線エッジの線像が対物レンズにより拡大され、ビームスプリッタにより、第１のスリット、第２のスリットを介して第１の受光手段、第２の受光手段で検出される。そして、前記第１及び第２の受光手段の出力の差分が演算手段により演算されエッジ検出信号が生成される。暗視野照明による目盛線エッジの線像が鮮鋭な細い像となることから、エッジ検出信号はＳカーブとなり、そのゼロクロス点より目盛線エッジの位置が検出できる。
【００１１】
本発明における前記演算手段は、前記第１及び第２の受光手段からの出力信号を所定の閾値でカットした信号の差分を演算して前記エッジ検出信号を生成するようにすることができる。このようにすることにより、測定対象としてのスケールの目盛のピッチが第１、第２のスリット間の幅との関係で小さくなってきた場合でも、正確に目盛エッジを検出することができる。また、本発明において、前記第１のスリットと前記第２のスリットがそのスリット長手方向と垂直な方向に移動可能としてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係るエッジ検出装置の全体構成を示す。従来技術（図６）と同様の構成要素には同一の番号を付しその詳細な説明は省略する。このエッジ検出装置が従来技術のものと異なる点は次の２点である。
【００１３】
（ア）スケール１に向けて斜め方向（投影角α）から光を投影することによりスケール１の目盛線エッジにおいて散乱光を生じさせ前記目盛線エッジの線像Ｅｉを生じさせる暗視野照明光学系９を備えている。暗視野照明光学系９は、光源９ａと、この光源９ａからの光を平行光束とするコリメートレンズ９ｂと、スケール１で反射した光を反射させるミラー９ｃとを備えている。スケール１が、例えばガラス基板に金属膜を蒸着してエッチングするなどして目盛を形成したものである場合、スケール１はエッジ部分を除いて平滑である。このため、光源９ａ等から光を照射すると、その光は基本的にはスケール１上で反射され、対物レンズ２には入射しないが、目盛線のエッジ部分（角の部分）では散乱される。このため、受光素子５ａ，５ｂには、図２（ａ）に示すようなスケールの目盛の像そのものではなく、図２（ｂ）に示すような目盛のエッジ部分が明るく浮かび上がった目盛線エッジの線像Ｅｉとなる。本実施の形態では、左右のエッジ両側で均一強度分布となるように、左右両方から光を照射すべく、ミラー９ｃを設けているが、片側からの照射でも十分に均一な強度分布となるようであれば、ミラー９ｃは省略してもよい。
【００１４】
なお、前述の投影角αは、対物レンズ２のＮＡとの関係で、α＞sin^-1ＮＡとなるように選ぶ必要がある。投影された光の反射光が対物レンズ２に入射することを防止し、散乱光のみが対物レンズ２に入射するようにするためである。
【００１５】
（イ）従来技術が３つのスリット板を利用する３スリット法を採用しているのに対し、本実施の形態では２枚のスリット板を利用する２スリット法を採用している。すなわち、本実施の形態では、この暗視野照明光学系９により浮かび上がる目盛線エッジの線像Ｅｉは、２つのスリット板６ａ、６ｂを介して第１、第２の受光素子５ａ，５ｂにより取得される。スケール１が目盛線と垂直な方向に移動されることにより、目盛線エッジの位置が検出される。この目盛線エッジの線像Ｅｉを形成する光束は対物レンズ２に入射され、ビームスプリッタ３に入射される。このビームスプリッタ３は、一部の光を透過し、残りの光を反射する。ビームスプリッタ３の透過光は第１の受光素子５ａで受光され、ビームスプリッタ３の反射光は第２の受光素子５ｂで受光される。受光素子５ａの受光面の前面には、スリット６ａが配置され、受光素子５ｂの受光面の前面にはスリット６ｂが配置されている。
【００１６】
スリット６ａ，６ｂは、スケール１の移動方向に関し互いに若干ずれた位置に配置されている。例えば、図２に示すように、スリット６ａ，６ｂの幅Ｗを１０μｍ、長さを５ｍｍとした場合、両者間の間隔Ｄを１０−２０μｍ程度とすることができる。これにより、スケール１をその目盛線と直交する方向に移動させたときに、ある目盛線エッジの線像を形成する光束が、受光素子５ａ、受光素子５ｂの順に（あるいはその逆）受光されるようになる。
【００１７】
受光素子５ａ、５ｂの出力ａ，ｂは、それぞれアンプ７ａ，７ｂで増幅されて増幅信号ａ´，ｂ´とされた後、演算部８に供給される。演算部８は、これらの増幅信号ａ´，ｂ´の差分ｄ＝ａ´−ｂ´からエッジ検出信号を生成すると共に、生成されたエッジ検出信号からエッジ位置を検出する。
【００１８】
前述したように、受光素子５ａ，５ｂには、図２（ｂ）に示すような目盛線のエッジ像Ｅｉが形成される。目盛ピッチをｐ、光学系の拡大倍率をｍとした場合、明視野照明された場合のスケール１の目盛像（図２（ａ））の目盛間の間隔はｍｐとなるが、本実施の形態のような暗視野照明がされた場合、各目盛線エッジの像Ｅｉの間隔はその半分のｍｐ／２となる。しかし、目盛線エッジの線像Ｅｉ自体の幅は狭いので、スケール１の移動により各受光素子５ａ，５ｂにより得られる信号ａ，ｂは、図３に示すように、その目盛線エッジの潜像Ｅｉの部分で急峻に立ち上がり、目盛線エッジの線像ＥｉとＥｉとの間の信号の振幅は略ゼロとなる。
【００１９】
このため、この両信号ａ´，ｂ´の差分信号ｄ＝ａ´−ｂ´は、図３に示すようなＳカーブを描き、そのゼロクロス点が目盛線エッジの位置と一致する。また、Ｓカーブ間には信号ａ，ｂと同様に振幅がゼロの区間（区間長Ｄｚ）が存在する。この区間長Ｄｚよりも、２つのスリット６ａ、６ｂの間の間隔Ｄと各スリット６ａ，６ｂの幅Ｗの和（Ｗ＋Ｄ）が小さければ、エッジ検出が可能となる。
【００２０】
この演算部８での演算及びエッジ位置の検出の様子を、図３に基づいて説明する。図３（ａ）（ｂ）に示すように、信号ａ´は信号ｂ´よりも早く立ち上がり早く立ち下がる。信号ａ´，ｂ´の差分信号ｄ´＝ａ´−ｂ´は図３（ｃ）に示すようになる。信号ｄのゼロクロス点がスケール１の目盛線エッジの位置となるので、このゼロクロス点を検出することにより、エッジ位置の検出をすることができる。
【００２１】
スケール１の目盛線の間隔が小さくなり、光学系の分解能に近づいて来ると、目盛線エッジの線像Ｅｉを形成する光束が入射しない部分でも、信号ａ´，ｂ´のレベルがゼロとならなくなる（図４（ａ）（ｂ））。差分信号ｄにおいても、エッジ部分以外でもゼロクロス点が生じることになり（図４（ｃ））、エッジ検出を正確に行うことができなくなる。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、図５に示すように、演算回路８において信号ａ´，ｂ´について適当な閾値を設定して閾値以下の信号をカットし、このカット後の信号の差分信号ｄ´によりエッジ位置の検出を行うようにする。閾値の大きさは、差分信号ｄ´のゼロクロス点間に生じる振幅ゼロの領域の幅が、スリット６ａと６ｂとの間の幅Ｄと各スリットの幅Ｗの和（Ｗ＋Ｄ）よりも大きくなるようにする。これにより、エッジ部分以外では、差分信号ｄ´にはゼロクロス点が生じず、エッジ位置の誤検出が回避される。
【００２３】
なお、図１の２つのスリット６ａ，６ｂの位置は固定でもよいが、図８に示すように、スケール１の移動方向に移動可能とし（換言すれば、スリット６ａ，６ｂの長手方向と垂直な方向に移動可能とし）、これによりスリット６ａ，６ｂ間の距離Ｄが可変になるようにしてもよい。測定対象としてのスケール１のピッチ等に応じて距離Ｄが可変となることにより、差分信号ｄの変化の度合を変えることができ、より正確な検出が可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るエッジ検出装置によれば、暗視野照明に基づくより目盛線エッジの線像を利用して２つのスリットのみで検出可能としているため、従来の３スリット法に比べスリット間の間隔を狭くすることができ、より狭ピッチのスケールの測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るエッジ検出装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すエッジ検出装置における目盛線エッジの線像Ｅｉとスリット６ａ，６ｂとの関係を示す。
【図３】図１に示すエッジ検出装置における受光素子５ａ，５ｂで受光され増幅器７ａ，７ｂで増幅される検出信号ａ´，ｂ´、及びその差分信号ｄの波形を示す。
【図４】スケール１のピッチＰが光学系の分解能に近づいた場合の検出信号ａ´，ｂ´及び差分信号ｄの波形を示す。
【図５】図４の場合の信号処理方法を示す。
【図６】従来技術に係るエッジ検出装置の全体構成を示す。
【図７】図６に示す従来技術に係るエッジ検出装置の検出原理を示す。
【図８】スリット６ａ、６ｂ間の距離を可変とした場合を説明したものである。
【符号の説明】
１・・・スケール、２・・・対物レンズ、３・・・第１のビームスプリッタ、４・・・第２のビームスプリッタ、５ａ・・・第１の受光素子、５ｂ・・・第２の受光素子、５ｃ・・・第３の受光素子、６ａ，６ｂ，６ｃ・・・スリット、７ａ，７ｂ，７ｃ・・・増幅器、８・・・演算回路

Claims

平行な目盛線が複数本配列形成されたスケールの目盛線エッジを光学的に検出するエッジ検出装置において、
前記スケールに斜め方向から光を投影することにより前記目盛線エッジにおいて散乱光を生じさせ目盛線エッジの線像を生じさせる暗視野照明光学系と、
前記目盛線エッジの線像を拡大する対物レンズと、
この対物レンズにより拡大された前記目盛線エッジの線像を形成する光を分岐させるビームスプリッタと、
前記目盛線エッジと平行な第１のスリットを介して前記ビームスプリッタで分岐された一方の光を検出する受光面を持つ第１の受光手段と、
前記目盛線エッジと平行で前記第１のスリットとは異なる位置に配置された第２のスリットを介して前記ビームスプリッタで分岐された他方の光を検出する受光面を持つ第２の受光手段と、
前記第１及び第２の受光手段の出力の差分を演算してエッジ検出信号を生成する演算手段とを備えていることを特徴とするエッジ検出装置。
前記演算手段は、前記第１及び第２の受光手段からの出力信号を所定の閾値でカットした信号の差分を演算して前記エッジ検出信号を生成するようにされた請求項１に記載のエッジ検出装置。
前記第１のスリットと前記第２のスリットがそのスリット長手方向と垂直な方向に移動可能とされた請求項１に記載のエッジ検出装置。