JPH0552707U - 光学式寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型の光学式寸法測定装置において、光学
系を複雑化すること無く、簡単な装置構成でビームスキ
ャナの周波数ズレを検出し、もって高精度のワーク寸法
測定を可能にする。 【構成】 所定の測定領域を平行走査ビームで繰り返し
走査すると共に、この測定領域を通過したビームを受光
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、ビーム発
生器からの固定ビームを前記平行走査ビームに変換する
ビームスキャナ１４及びａｒｃｓｉｎθレンズ１８と、
この平行走査ビームの走査周期を走査範囲の少なくとも
１点を示す基準信号から検出する手段４２，６４，６６
と、前記ワーク寸法の測定値を前記走査周期で補正する
手段５４とを備える。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ビームスキャナの周波数ズレに起因する測定誤差を、走査周期を検 出して補正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（スキャン信号）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。 この種の測定装置では、レーザ発振源からのビームをｓｉｎ振動をするビーム スキャナに入力して走査し、ａｒｃｓｉｎθレンズで等速な平行走査ビームに変 換する。ビームスキャナとしては、モータでポリゴンミラーを回転させる方式や 、水晶や音叉を用いて平坦なミラーを微小角回転させる方式等がある。いずれの 方式でも、平行ビームの走査速度が常に一定でないと測定誤差の原因になる。

【０００３】 図６は従来の走査型光学式寸法測定装置の一例を示す構成図である。図中、１ ０はレーザ光源（レーザダイオードＬＤ）であり、このＬＤ１０から出力された レーザビーム１２は水晶スキャナ１４でｓｉｎ振動の回転走査ビーム１６に変換 され、更にａｒｃｓｉｎθ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は水晶スキャナを駆動する駆動回路、３０は受光素子２６の出力を増幅す るアンプである。ＰＳ１，ＰＳ２は水晶スキャナ１４の振幅制御用フォトセンサ で、１走査の開始及び終了を検出するリセット用受光素子の機能も備えている。

【０００４】 測定用受光素子２６の出力はアンプ３０で増幅された後、図７のエッジ検出回 路４０に入力する。このエッジ検出回路４０は、アンプ３０の出力（スキャン信 号）を波形成形してエッジ検出を行う。一方、センサＰＳ１，ＰＳ２の出力は整 形回路４２，４４に入力して波形整形される。 ゲート回路４６はセグメント選択回路４８で選択されたセグメントの期間だけ 開いて発振器５０の出力クロックをカウンタ５２に入力する。このカウンタ５２ は入力されるクロックを計数して選択されたセグメントの時間幅を計測する。尚 、セグメントとは図６における平行走査領域を便宜上ワーク２２の位置を基準に 区分したもので、ワークより前がセグメントＳ１、ワーク部分がセグメントＳ２ 、ワークの後がセグメントＳ３である。セグメント選択回路４８は整形回路４２ ，４４の出力から走査方向を得てエッジ検出回路４０の出力がどのセグメントか を把握する。従って、カウンタ５２でセグメントＳ２の時間幅をカウントすれば 、ワーク２２の寸法を測定することができる。 ５４は各種の処理及び制御を行うＣＰＵ、５６はキーボード表示回路、５８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。

【０００５】 図６の光学系では、水晶や音叉等を用いたビームスキャナ１４が等速度で振動 すれば、平行ビーム２０は等速度で走査される。しかしながら、実際にこの平行 ビームの走査速度が常に一定に保たれることは難しい。この理由は、スキャナ１ ４はＱ値が低いため、駆動回路２８の温度特性やエージング特性、更には水晶ス キャナ１４の姿勢差等により発振周波数が変化してしまうからである。このよう な理由で平行ビーム２０の走査速度が変化すると、ワーク２２を走査した時間か らその寸法を算出すれば誤差が入り、高精度の測定は期待できない。しかも、こ の周波数ズレは環境により左右されるため、常に発生する可能性がある。

【０００６】 従来はこの点を改善するために、図６に示すようにハーフミラー３２で平行ビ ーム２０の一部を分岐し、これで寸法の判明している参照ワーク３４を照射し、 そのビームを別の集光レンズ３６で参照用受光素子３８に入力し、その受光出力 をアンプ３９で増幅して補正用の参照信号を得るようにしている。即ち、この参 照信号の明暗パターンに含まれる参照ワーク部分の時間と予め判明している参照 ワーク３４の寸法との関係からスキャナ１４の周波数ズレを検出し、これでスキ ャン信号に含まれるワーク２２部分の時間幅を補正するのである。 具体的には、この参照信号を図７のエッジ検出回路６０に入力し、更にその出 力をセグメント２指定回路６２に入力して、参照ワーク部分（セグメントＳ２） の時間幅をカウンタ６６でカウントする。ゲート回路６４はこの参照ワーク部分 の時間だけ発振器５０のクロックをカウンタ６６に入力するためのものである。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、従来の構成では、図６に示す光学系においてハーフミラー３２ 、参照ワーク３４、集光レンズ３６、受光素子３８、アンプ３９が必要であり、 また図７に示す信号処理部においてエッジ検出回路６０、セグメント２指定回路 ６２が必要となるなど、構成が複雑で装置が大型化する欠点がある。 本考案はこの点を改善し、光学系を複雑化すること無く、簡単な装置構成でビ ームスキャナの周波数ズレを検出し、もって高精度のワーク寸法測定を可能にす ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため本考案では、所定の測定領域を平行走査ビームで繰り 返し走査すると共に、この測定領域を通過したビームを受光素子で受光し、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、ビーム発生器からの固 定ビームを前記平行走査ビームに変換するビームスキャナ及びａｒｃｓｉｎθレ ンズと、この平行走査ビームの走査周期を走査範囲の少なくとも１点を示す基準 信号から検出する手段と、前記ワーク寸法の測定値を前記走査周期で補正する手 段とを備えてなることを特徴としている。

【０００９】

【作用】

ビームスキャナの周波数ズレは、実際の走査周期の変化となって表れる。従っ て、この走査周期を何らかの方法で検出すれば参照ワークを測定するような光学 系を組む必要はない。図６に示したように、通常の走査型光学式寸法測定装置に は、走査周期を示す信号を発生する手段が設けられている。例えば、走査周期の 始点と終点を検出するセンサＰＳ１，ＰＳ２はその好例である。そこで、このよ うな手段からの基準信号を処理することで常に実際の走査周期を把握し、その変 化分を周波数のズレ量と見てワーク寸法の測定値を補正する。この様にすれば、 装置構成を複雑化して大型化することなく、高精度の測定が可能になる。

【００１０】

【実施例】

以下、図面を参照して本考案の実施例を説明する。 図１は本考案の一実施例を示す光学系の構成図、図２はその信号処理部のブロ ック図である。これらの図において、前述した図６，７と同一部分には同一符号 を付してある。即ち、図１と図６、並びに図２と図７をそれぞれ比較すると、図 １では図６のハーフミラー３２、参照ワーク３４、集光レンズ３６、受光素子３ ８、アンプ３９が省略され、また図２では図７のエッジ検出回路６０、セグメン ト２指定回路６２が省略されている。その他は、図６，７と同様である。

【００１１】 本考案では参照ワークを用いないため参照信号はない。従って、図２の信号処 理部はスキャン信号、ＰＳ１出力、ＰＳ２出力だけを入力としてワーク寸法測定 、走査周期検出、ワーク寸法補正を行う。 即ち、図３に示すように、スキャナ１４が往復走査をするものとした場合、ス キャン信号はセグメントＳ１〜Ｓ３が交互に順序を入れ換えて表れる。ＰＳ１出 力、ＰＳ２出力はそれぞれ２パルスを組として特徴づけられた波形をしており、 且つセンサＰＳ１，ＰＳ２の配置関係から走査周期に対し１８０゜位相がずれた 形で表れる。スキャナ信号は、ＰＳ１出力とＰＳ２出力の間には１組だけが含ま れ、ＰＳ１出力の１周期間及びＰＳ２出力の１周期間にはそれぞれ２組が含まれ る。整形回路４２，４４はＰＳ１出力，ＰＳ２出力をそれぞれ単一のパルスに変 換する。

【００１２】 ワーク寸法測定は、エッジ検出回路４０、整形回路４２，４４、ゲート回路４ ６、セグメント選択回路４８、発振器５０、カウンタ５２で行うことができる。 これは従来と同様で、セグメントＳ２の時間幅をカウンタ５２でカウントする。 走査周期検出は、整形回路４２、発振器５０、ゲート６４、カウンタ６６で行 う。これは、図３に示すようにスキャナの１走査周期がＰＳ１出力の周期に一致 することから、ＰＳ１出力を入力とした整形回路４２の出力（ＰＳとする）でゲ ート回路６４を制御し、ＰＳ，ＰＳ間の時間をカウンタ６６でカウントさせるよ うにする。

【００１３】 図４はこの説明図であり、整形出力ＰＳの立上りでゲート回路６４をＯＮにし たら、次のＰＳの立上りでゲート回路６４をＯＦＦにする。この様にすることで 、カウンタ６６のカウント値はスキャナ１４の現在の走査周期を示す値になる。 従って、この走査周期の計測値と予め定められた設計値との比でワーク寸法の測 定値を補正することができる。以下にその補正式を示す。

【００１４】

【数１】 補正寸法測定値＝実測寸法測定値×（走査周期設計値／走査周期計測値）

【００１５】 図４は基本的な方法を示したもので、実際には走査周期の計測にも誤差が入る 可能性がある。そこで、複数回の周期計測値の平均をとるようにしてこの誤差を 低減した方がより高精度の寸法測定ができる。 図５は、例えば２５６周期の平均をとることで、走査周期の計測精度を高める ようにしたものである。即ち、ゲート回路６４をＯＮにしてカウンタ６６をスタ ートさせたら、２５６周期の間はゲート回路６４をＯＮにし続ける。そして、２ ５６周期経ったらカウンタ６６の値をＣＰＵ５４でリードしてメモリに保存し、 カウンタ６６をクリアする。ＣＰＵ５４では２５６周期分のカウンタ値を１／２ ５６して１周期の計測値を算出し、これを上記の数１に代入して補正寸法測定値 を求める。

【００１６】 以上の説明では、走査周期を求める基準信号としＰＳ１を使用したが、ＰＳ２ や類似の信号を作成する手段の出力でも良い。この様にすることで、光学系や信 号処理部の回路構成を複雑化することなく、スキャナの走査周期を計測すること が出来、ワーク寸法の測定精度を向上させることができる。この場合、適用する スキャナは水晶タイプや音叉タイプに限らず通常のモータを用いるもので構わな い。

【００１７】

【考案の効果】

以上述べたように本考案によれば、走査型の光学式寸法測定装置において、光 学系を複雑化すること無く、簡単な装置構成でビームスキャナの周波数ズレを検 出し、もって高精度のワーク寸法測定を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の一実施例の光学系を示す構成図であ
る。

【図２】 同実施例の処理回路を示すブロック図であ
る。

【図３】 走査型光学式寸法測定装置全体の動作波形図
である。

【図４】 本考案の要部動作波形図である。

【図５】 本考案の具体的な動作波形図である。

【図６】 従来の走査型光学式寸法測定装置の光学系を
示す構成図である。

【図７】 同装置の処理回路を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０…レーザダイオード、１４…ビームスキャナ、１８
…ａｒｃｓｉｎθミラー、２２…ワーク、２４…集光レ
ンズ、２６…測定用受光素子４０…エッジ検出回路、４
６，６４…ゲート回路、５２，６６…カウンタ、５４…
ＣＰＵ、ＰＳ１，ＰＳ２…振幅制御用センサ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の測定領域を平行走査ビームで繰り
   返し走査すると共に、この測定領域を通過したビームを
   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、 ビーム発生器からの固定ビームを前記平行走査ビームに
   変換するビームスキャナ及びａｒｃｓｉｎθレンズと、 この平行走査ビームの走査周期を走査範囲の少なくとも
   １点を示す基準信号から検出する手段と、 前記ワーク寸法の測定値を前記走査周期で補正する手段
   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。