JPH04249709A - 寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビーム等の光束
を走査して被測定物の寸法を測定する寸法測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の外径、エッジ位置等を高精度
に測定するために、レーザビーム等の指向性の良い光束
を被測定物の置かれている空間に測定方向に沿って走査
し、被測定物によって遮られる光束を受光するように構
成した寸法測定装置が従来よりあった。

【０００３】光束を走査する偏向法には回転ミラー方式
と、音又などを利用した振動ミラー方式とが従来より用
いられており、振動ミラー方式は走査の繰返し周波数が
高くでき応答性に優れること、また往復走査が可能で、
往復の平均化により測定誤差の相殺ができるなどの特徴
をもっている。

【０００４】図６は、この振動ミラー方式による寸法測
定装置の基本構成を示す図であり、１はレーザビーム等
を出力する光源、２は光源１からの光束を被測定物Ａ方
向に周期的に偏向させる偏向器である。

【０００５】この偏向器２のミラーはレンズ４の前焦点
に位置しており、偏向器２で反射してレンズ４を経た光
束はそのレンズ４の光軸に平行で測定方向Ｙに沿って周
期的に走査されることになる。

【０００６】ここで偏向器２が音又偏向器等の振動ミラ
ーの場合には、Ｙ方向に走査する光束の位置変化は図７
の（ａ）に示すように時間に対してほぼ正弦関数的に変
化する。

【０００７】このため、受光器６からは、同図の（ｂ）
に示すように、被測定物Ａに遮られた部分ではＨレベル
、遮られていない部分ではＬレベルとなる受光信号が出
力される。

【０００８】７は、同図の（ｃ）に示すように、走査光
に同期した正弦波電圧信号を演算器８に出力する参照信
号発生器である。

【０００９】演算器８は、予め参照信号と走査光との振
幅比を記憶しており、受光信号の立ち上がり時の参照信
号電圧Ｖ１　から、走査中心を基準とする被測定物Ａの
エッジ位置を算出する。

【００１０】ところが、実際にこのような装置を構成し
た場合、レンズの収差やミラーの歪みにより、走査光の
位置変化は完全な正弦関数にならない場合が多い。

【００１１】このため、従来装置では、測定位置に固有
の補正量を予め測定しておき、検出された被測定物のエ
ッジ位置に対応した信号を、そのエッジ位置の補正量で
補正するようにしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな寸法測定装置では、走査光の走査中心が、レーザ光
源の出射角の変動や光軸のずれ等により、光学系の測定
基準点に対して変動すると、被測定物のエッジ位置は変
わらないのに、測定値が変動してしまうという問題があ
る。また、走査光の中心と光学系との相対位置関係が変
化して、正しい光学補正がなされないという問題もあっ
た。

【００１３】本発明は、この課題を解決した寸法測定装
置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の寸法測定装置は、所定周期の周期関数にし
たがって走査される走査光を出力する走査光出力手段と
、走査光の走査中心をはさみ所定の測定基準点から既知
の距離にある第１、第２の位置を走査光が横切るタイミ
ングを検出するための第１の受光手段と、第１の受光手
段からの受光信号に基づいて、測定基準点に対する走査
光の走査中心位置の変動を検出する変動量検出手段と、
被測定物のエッジ位置を、走査光が横切るタイミングを
検出するための第２の受光手段と、第２の受光手段から
の受光信号に基づいて、走査光の走査中心から被測定物
のエッジまでの距離を検出する距離検出手段と、距離検
出手段で検出された値を、変動量検出手段で検出された
変動量分補正する中心ずれ補正手段と、中心ずれ補正手
段からの補正済み出力値に基づいて、測定基準点に対す
る被測定物のエッジ位置を検出するエッジ位置検出手段
とを備えている。

【００１５】

【作用】したがって、被測定物のエッジ位置は、常に走
査光の走査中心のずれ量分補正された値に基づいて検出
される。

【００１６】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。

【００１７】図１は一実施例の寸法測定装置の全体構成
を示す図であり、前述した図６の装置と同一の構成部分
には同一符号を付して説明を省略する。

【００１８】図１において、レンズ４からの走査光はハ
ーフミラー２５により同一振幅の測定光と参照光に分か
れ、測定光はレンズ５を介して受光器６で受光され、参
照光はレンズ２６を介して受光器２７で受光される。

【００１９】ハーフミラー２５とレンズ２６との間には
、参照光の走査方向の外径が既知な基準棒Ｒが、参照光
のほぼ走査中心に固定されている。

【００２０】ここで、参照光を受光する受光器２７から
の受光信号（以下モニタ信号と記す）は、参照光が基準
棒Ｒに遮られている間はＨレベル、参照光が受光されて
いる間はＬレベルとなる。

【００２１】このモニタ信号は、周期測定回路３０、ゼ
ロ位相タイミング検出回路３１および第１の位相角算出
回路３２に入力されている。

【００２２】周期測定回路３０は、図２の（ａ）に示す
参照光を受光する受光器２７から、同図の（ｂ）に示す
モニタ信号を受け、交互に連続する遮光時間と受光時間
とをそれぞれ２期間ずつ加えた時間Ｔ０　を走査光の周
期として測定する。

【００２３】ゼロ位相タイミング検出回路３１は、１周
期Ｔ０　内の受光時間Ｔ１　の中間タイミングからＴ０
　／４時間経過したタイミングを、参照光のゼロ位相タ
イミングとして検出し、このタイミングに同期したタイ
ミングパルスを同図の（ｃ）に示すように出力する。

【００２４】第１の位相角検出回路３２は、このタイミ
ングパルスとモニタ信号とを受け、モニタ信号の立上り
からゼロ位相タイミングまでの時間Ｔａ　と、ゼロ位相
タイミングからモニタ信号の立下りまでの時間Ｔｂ　と
を検出し、この検出時間を、ゼロ位相タイミングに対す
る位相角ａ＝−２πＴａ　／Ｔ０　，ｂ＝２πＴｂ　／
Ｔ０　に変換して出力する。

【００２５】３３は、位相角毎の正弦値を予め記憶して
いる第１の正弦変換回路であり、第１の位相角検出回路
３２からの位相角ａ、ｂに対して、Ｓｉｎａ，Ｓｉｎｂ
をメモリ回路３４に記憶する。

【００２６】メモリ回路３４に記憶された正弦値は、減
算回路３５で減算され、参照光の走査中心からの振幅が
１に規格化された場合の基準棒の外径値ｒが算出される
。

【００２７】３６は、参照光の振幅値（測定光も同一）
を算出する振幅算出回路であり、減算回路３５からの算
出値ｒで基準棒Ｒの真の外径値Ｄを除算して、走査中心
からの振幅値Ｅ（＝Ｄ／ｒ）を算出する。

【００２８】４０は、図３の（ａ）に示すように被測定
物Ｂに遮られる測定光を受光する受光器６から、同図の
（ｂ）に示すように出力される受光信号と、ゼロ位相タ
イミング検出回路３１からのタイミングパルス（同図の
（ｃ））を受け、測定光が被測定物Ｂのエッジを横切る
までの時間Ｔｃ　を測定し、Ｔｃ　を位相角ｃ（＝−２
πＴｃ　／Ｔ０　）に変換して出力する第２の位相角検
出回路である。

【００２９】４１は、前述した第１の正弦変換回路３３
と同一の第２の正弦変換回路であり、第２の位相角検出
回路４０からの位相角ｃに対応する正弦値Ｋ（＝Ｓｉｎ
ｃ）を出力する。

【００３０】４３は、メモリ回路３４に記憶されている
正弦値を加算して、基準棒の両エッジ間の中心位置（測
定基準点）に対する走査中心の変動量を算出する加算器
（変動量検出手段）であり、４４は、加算器４３で加算
した結果Ｓを、第２の正弦変換回路４１からの出力値Ｋ
から減算して、走査中心の変動を補正する減算器（中心
ずれ補正手段）である。

【００３１】この加算器４３の出力値Ｓは、基準棒Ｒの
両エッジの中心が参照光の走査中心に一致している場合
はゼロとなり、中心ずれがある場合は、その真のずれ量
Ｕを振幅値Ｅで除算した分の出力が発生することになる
。

【００３２】４５は、補正出力（Ｋ−Ｓ）に振幅値Ｅを
乗算して、被測定物Ｂのエッジ位置を算出するエッジ位
置算出回路である。

【００３３】４６は、各レンズの収差やミラーの歪によ
るエッジ位置の誤差を補正する光学補正回路であり、図
４に示すように、予め測定基準点からの位置に対応した
光学補正データを記憶している補正データメモリ４７か
ら、エッジ位置算出回路４５で算出された位置データに
対応した光学補正データＨを読み出し、この位置データ
と光学補正データＨとを加算器４８で加算して、光学系
の測定基準点から求めた被測定物Ｂのエッジの真の位置
を算出する。

【００３４】この光学補正データは、図５に示すように
、予め基準ゲージ５０のエッジを移動させ、測定基準位
置からの実際の移動距離と、エッジ位置算出回路４５の
算出値との差によって得られる。

【００３５】以上のように構成された寸法測定装置では
、例えば走査光の走査中心が基準棒の中心に対して変動
しても、その変動分が常に減算補正されるため、検出さ
れる被測定物Ｂのエッジ位置の出力値は変動せず、これ
によって、光学補正も正しい位置で正確に行なわれるこ
とになる。

【００３６】なお、この説明では、被測定物Ｂの１つの
エッジ位置を検出する場合について説明したが、外径測
定を行なう場合には、前記同様にして他方側のエッジ位
置を求め、両エッジ間の距離を算出すれば、外径値を測
定できる。

【００３７】

【他の実施例】前記実施例では、参照光の受光信号（モ
ニタ信号）に基づいて、その走査周期と、ゼロ位相タイ
ミングを検出していたが、振動ミラーを駆動している信
号等から走査周期やゼロ位相タイミングを検出するよう
にしてもよい。

【００３８】また、前記実施例では、正弦状に走査され
た走査光を用いていたが、これは、本発明を限定するも
のではなく、例えば回転ミラー方式で走査する場合のよ
うに測定位置が時間に比例して変化する走査光を用いる
ようにしてもよく、この場合は、関数変換を省略するこ
とができる。

【００３９】また、前記実施例では、モニタ信号から参
照光の振幅を算出し、この振幅を測定光の振幅としてい
たが、予め、測定光の振幅を実際に測定しておいてもよ
いし、参照光と測定光との振幅比を測定しておき、この
振幅比により被測定物のエッジ位置の演算を行うように
してもよい。

【００４０】また、前記実施例では、受光器６、２７の
受光信号に基づいて算出した各算出値の平均化について
の説明を省略していたが、複数回の走査による平均化や
、走査の往復による平均化を行なえばより高精度な測定
が行なえる。

【００４１】また、前記実施例では、参照光の走査範囲
内に基準棒Ｒを配置して、この基準棒の両エッジを第１
、第２の位置としていたが、この規準棒の代わりに、中
心に所定寸法の窓が設けられた基準窓を用いたり、走査
中心の両側の所定位置に達した走査光のみを受光する１
対の受光器を用いるようにしてもよい。

【００４２】このような１対の受光器を用いる場合、１
対の受光器に入射される走査光を被測定物が遮らなけれ
ば、前記実施例のように走査光を参照光と測定光に分岐
しなくても、測定光側にこの１対の受光器を配置でき、
この受光器からの信号により、走査光の走査中心の変動
を検出することができる。

【００４３】また、光学系の測定規準位置についても、
前記実施例のように規準棒の中心だけでなく、規準棒の
一方のエッジ位置、前述した１対の受光器の一方の受光
位置あるいは走査光の走査範囲外の所定位置であっても
よい。

【００４４】

【発明の効果】本発明の寸法測定装置は、走査光が、走
査中心をはさみ測定基準に対して固定された第１、第２
の位置を横切るタイミングを、第１の受光手段で検出し
、この出力に基づいて、測定基準に対する走査中心の変
動量を検出し、この変動量で被測定物のエッジ位置を補
正するようにしているため、走査光の走査中心が光学系
の測定基準位置に対して変動しても測定値の変動はなく
、光学系の基準位置に対する被測定物のエッジ位置の測
定を常時安定した状態で行なうことができる。

【００４５】また、検出された位置出力に対して位置毎
の光学補正を行なう場合でも、走査中心の変動による測
定値の変動がないため、正確な光学補正を行なうことが
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す図である。

【図２】一実施例の動作を説明するためのタイミング図
である。

【図３】一実施例の動作を説明するためのタイミング図
である。

【図４】一実施例の要部の構成を示すブロック図である
。

【図５】光学補正データを得るための動作を説明するた
めの図である。

【図６】従来装置の基本構成を示す図である。

【図７】従来装置の動作を説明するためのタイミング図
である。

【符号の説明】

１　　　　光源 ２　　　　偏向器 ６　　　　受光器 ２５　　ハーフミラー ２７　　受光器 ３２　　第１の位相角検出回路 ３３　　第１の正弦変換回路 ３５　　減算回路 ４０　　第２の位相角検出回路 ４１　　第２の正弦変換回路 ４３　　加算器 ４４　　減算器 ４５　　エッジ位置算出回路 ４６　　光学補正回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定周期の周期関数にしたがって走査
   される走査光を出力する走査光出力手段と、前記走査光
   の走査中心をはさみ所定の測定基準点から既知の距離に
   ある第１、第２の位置を、前記走査光が横切るタイミン
   グを検出するための第１の受光手段と、前記第１の受光
   手段からの受光信号に基づいて、前記走査光の走査中心
   の位置変動を検出する変動量検出手段と、被測定物のエ
   ッジ位置を、前記走査光が横切るタイミングを検出する
   ための第２の受光手段と、前記第２の受光手段からの受
   光信号に基づいて、前記走査光の走査中心から前記被測
   定物のエッジまでの距離を検出する距離検出手段と、前
   記距離検出手段で検出された値を、前記変動量検出手段
   で検出された変動量分補正する中心ずれ補正手段と、前
   記中心ずれ補正手段からの補正済み出力値に基づいて、
   前記測定基準点に対する前記被測定物のエッジ位置を検
   出するエッジ位置検出手段とを備えたことを特徴とする
   寸法測定装置。