JPH0654214B2 - 走査型光学式寸法測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、平行走査ビームが測定対象物によつて遮られ
て生じる暗部又は明部の時間の長さから測定対象物の寸
法を測定する走査型光学式寸法測定装置の改良に関す
る。

【従来の技術】

レーザビームを、ポリゴンミラー，音叉偏向器等で放射
状走査光ビームに変えてから、レンズ系により平行走査
光ビームに変換し、測定対象物を走査することにより、
この測定対象物によつて前記平行走査光ビームが遮られ
て生じる暗部又は明部の時間の長さから、測定対象物の
寸法や形状を測定する走査型光学式寸法測定装置が知ら
れている。 このような測定装置の一例を第３図に示す。この測定装
置は、ビーム発生器１２、固定ミラー１４、ポリゴンミ
ラー１８、コリメータレンズ２２等からなり、ビーム発
生器１２から発生されるレーザビーム１６をポリゴンミ
ラー１８で扇状の走査ビーム２０に変えてから、更にコ
リメータレンズ２２で平行走査ビーム２４に変換する平
行走査ビーム発生装置１０と、前記走査ビーム２０又は
２４の測定対象物８に対する走査範囲外で走査ビーム
（例えば２０）を検出するタイミング用受光素子２６
と、測定対象物８を通過した後、集光レンズ３１で集光
される平行走査ビーム２４の明暗を検出する計測用受光
素子３２を含む受光装置３０と、前記平行走査ビーム２
４が測定対象物８によつて遮られて生じる暗部又は明部
の時間t 中に計数されるクロツクパルスＣＰの値から測
定対象物８の直径等の走査方向（Ｙ方向）寸法を求める
電子回路４０とを含んで構成されている。 前記平行走査ビーム２４は、受光装置３０の集光レンズ
３１を介して前記計測用受光素子３２に照射され、その
光信号は、電子回路４０のプリアンプ４２で増幅されて
原信号a となり、ダイオード、コンデンサ、可変抵抗器
からなる参照電圧設定回路４４の参照電圧Ｖref １を基
準として、比較器４６で矩形信号b に変換された後、測
定個所を選択するためのセグメント選択回路４８に入力
される。 このセグメント選択回路４８は、前記矩形信号b から測
定対象物８の測定対象セグメントが走査されている時間
t の間だけアンドゲート５０を開いて、クロツクパルス
発振器５２から出力されているクロツクパルスＣＰのう
ち、測定対象セグメントに対応する計数パルスe を計数
回路５４に供給する。該計数回路５４の計数値は、メイ
ンバス５６を介して表示器５８に出力され、ここで表示
される。 前記測定対象セグメントの選択は、例えばキーボード６
０からの入力によつてマイクロプロセツサ（ＣＰＵ）６
２に指示され、該ＣＰＵ６２が、メインバス５６を通じ
てセグメント選択回路４８を設定することによつて行わ
れる。 前記クロツクパルス発振器５２出力のクロツクパルスＣ
Ｐは、又、分周器６４で分周され、パワーアンプ６６を
経てパルスモータ６８に供給され、パルスモータ６８が
クロツクパルスＣＰと同期して駆動されている。 一方、前記タイミング用受光素子２６出力の光信号は、
プリアンプ７０で増幅された後、可変抵抗器７２で設定
される参照電圧Ｖref ２を基準として比較器７４で波形
整形され、エンドパルスh となつてメインバス５６に接
続される。このエンドパルスh が入力されると、ＣＰＵ
６２は次の測定に備えて計数回路５４をリセツトするた
めの信号i を出力する。

【発明が解決しようとする問題点】

第３図に示した従来の測定装置で、第４図(A)に示す如
く、測定対象物８の直径を測定する場合の、各部信号波
形の例を第４図（Ｂ）に示す。測定対象物８が第４図
（Ａ）に実線で示す位置にある場合、第４図（Ｂ）に実
線で示す如く、矩形信号b の中で測定セグメントに対応
する時間だけ計数パルスe が生成され、計数回路５４に
計数値Ｅが得られ、それに一定の計数Ｋを乗じた値ＫＥ
が表示器５８に表示される。 ここで第４図（Ａ）に破線で示す如く、測定対象物が
８′の位置に偏位すると、第４図（Ｂ）の測定セグメン
トに対応する部分も移動して、計数回路５４の計数値は
Ｅ′となる。本来、理想的にはＥ＝Ｅ′であるはずであ
るが、光学系の収差やポリゴンミラー１８の位置ずれ等
によつて実際にはＥ≠Ｅ′となり、誤差量は測定位置Ｙ
の値の関数となる。但し、誤差が測定位置Ｙについて線
形であれば、測定寸法が同一である限りＥ＝Ｅ′が成立
し、計数値に乗ずる係数Ｋを修正するだけで誤差は消去
できる。 ところが、第４図（Ｃ）（一定の直径d の丸棒を測定す
る場合）に示す如く、誤差が測定位置Ｙについて非線形
である場合には、計数値Ｅだけでは測定位置Ｙの情報が
得られないため、測定位置Ｙに対応した誤差の補正を行
うことができず、正確な測定値を得ることができないと
いう問題点を有していた。

【発明の目的】

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、測定誤差が測定位置について非線形である場合に
も補正の可能な走査型光学式寸法測定装置を提供するこ
とを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、平行走査ビーム発生装置と、走査ビームの測
定対象物走査範囲外で該走査ビームを検出するタイミン
グ用受光素子と、測定対象物を通過した平行走査ビーム
の明暗を検出する計測用受光素子を含む受光装置と、前
記平行走査ビームが測定対象物によつて遮られて生じる
暗部又は明部の時間中に計数されるクロツクパルスの値
から測定対象物の寸法を求める電子回路とを含んで構成
される走査型光学式寸法測定装置において、前記電子回
路に、前記計測用受光素子の出力信号の高低の変化時刻
の少なくとも２つと前記タイミング用受光素子の出力信
号が励起される時刻との間にそれぞれ平行してクロツク
パルスを計数する複数の計数回路を設け、該複数の計数
回路の計数値を個別に補正した値の差から測定対象物の
寸法を求めることにより、前記目的を達成したものであ
る。 又、本発明の実施態様は、前記電子回路に、前記計測用
受光素子の出力信号の高低の変化数を計数する前置計数
器と、該前置計数器が異なる計数値に達する時に入力が
励起されると共に、該入力の１つを任意に選択して出力
する選択ゲートとを設け、該選択ゲートの出力信号の変
化時刻から前記複数の計数回路のいずれかの計数を開始
又は停止するようにしたものである。

【作用】

本発明は、前記のような走査型光学式寸法測定装置にお
いて、計測用受光素子の出力信号の高低の変化時刻の少
なくとも２つとタイミング用受光素子の出力信号が励起
される時刻との間にそれぞれ並行してクロツクパルスを
計数する複数の計数回路を設け、該複数の計数回路の計
数値を個別に補正した値の差から測定対象物の寸法を求
めるようにしている。従つて、一種の絶対値測定となる
ので、測定誤差が測定位置について非線形である場合に
も誤差補正が可能となり、高精度の測定を行うことがで
きる。 又、前記計測用受光素子の出力信号の高低の変化数を計
数する前置計数器と、該前置計数器が異なる計数値に達
する時に入力が励起されると共に、該入力の１つを任意
に選択して出力する選択ゲートとを設け、該選択ゲート
の出力信号の変化時刻から前記複数の計数回路のいずれ
かの計数を開始又は停止するようにした場合には、計数
回路の数に制限されずに測定位置の数を増加することが
できる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本実施例は、第１図に示す如く、基本的には、従来例と
同様の並行走査ビーム発生装置１０と、タイミング用受
光素子２６と、計測用受光素子３２を含む受光装置３０
と、電子回路４０とを含むが、電子回路４０以外は従来
例と同じであるので説明は省略する。 本実施例における電子回路４０において、計測用受光素
子３２の出力信号は、従来例と同様のプリアンプ４２で
原信号a となり、比較器４６で参照電圧Ｖref １を基準
に波形整形されて矩形信号b が生成される。 該矩形信号b が入力される一方のパルス化回路８０Ａで
は、矩形信号b の立上がり及び立下がり（計測用受光素
子３２の出力信号の高低の変化時刻）においてパルスc
が出力される。又、前記矩形信号b が入力される他方の
パルス化回路８０Ｂでは、矩形信号b の立上がり（計測
用受光素子３２の出力信号が低レベルから高レベルに変
化する時刻）毎に、アンドゲート８２を介してリセツト
パルスd が出力される。 前記パルス化回路８０Ａ出力のパルスc は、前置計数器
８４で計数される。即ち、この前置計数器８４は、計測
用受高素子３２の出力信号の高低の変化数を計数してい
る。 前記前置計数器８４の出力は、デコーダ８６で特定の端
子０〜７の出力に変換される。このデコーダ８６の出力
端子０〜７は、２つのＤフリツプフロツプ８８Ａ、８８
Ｂと３個の選択ゲート９０Ａ〜９０Ｃに接続され、該選
択ゲート９０Ａ〜９０Ｃの出力は、それぞれＤフリツプ
フロツプ８８Ｃ〜８８Ｅに接続されている。 前記選択ゲート９０Ａ〜９０Ｃは、それぞれ正論理と負
論理のストローブ入力付きのスリーステートバツフアか
ら構成されており、ＣＰＵ６２からの選択信号 k１、 k
２、 k３が高レベルの時は、デコーダ８６の端子２、
３、４の出力が選択され、選択信号 k１、 k２、 k３が
低レベルの時は、デコーダ８６の端子５、６、７の出力
が選択される。 前記Ｄフリツフプロツプ８８Ａ〜８８Ｅの出力は、個々
にアンドゲート９２Ａ〜９２Ｅの一方に入力され、該ア
ンドゲート９２Ａ〜９２Ｅの他方の入力には、クロツク
パルスＣＰが入力されており、該アンドゲート９２Ａ〜
９２Ｅの出力、即ち計数パルス e１〜 e５は、それぞれ
計数回路９４Ａ〜９４Ｅで積算計数される。前記計数回
路９４Ａ〜９４Ｃ及び９４Ｅは、コントロールバス９６
から入力されるリセツト信号i で出力のリセツトがなさ
れ、出力が零となる。なお、計数回路９４Ｄのリセツト
端子Ｒだけは、オアゲート９８が接続され、前記アンド
ゲート８２から入力されるリセツトパルスd によつても
出力がリセツトされるようになつている。 各計数回路９４Ａ〜９４Ｅの計数値は、メインバス５６
を介してＣＰＵ６２に取込まれている。 又、タイミング用受光素子２６の出力信号を波形整形し
て得られるエンドパルスh は、ＣＰＵ６２のコントロー
ルバス９６に入力されるので、タイミング用受光素子２
６に走査ビームが照射され、出力信号が励起されると、
その情報がＣＰＵ６２に伝達される。 該ＣＰＵ６２からは、コントロールバス９６を通して、
前記計数回路９４Ａ〜９４Ｅをリセツトする信号i 、前
記Ｄフリツプフロツプ８８Ａ〜８８Ｅの出力をリセツト
して計数パルス e１〜 e５を抑制する信号j 、前記選択
信号 k１、 k２、 k３、前記リセツトパルスd を抑制で
きるアンドゲート８２の一方に入力される信号ｌ及び前
記前置計数器８４の出力をリセツトする信号m が任意に
出力できる。 以下、実施例の作用を説明する。 測定対象物８Ａ、８Ｂの直径 d₁、 d₂を、第２図（Ａ）
に示すような配置で測定する時の各部信号波形の例を第
２図（Ｂ）に示す。 エンドパルスh は、平行走査ビーム２４の１回の走査に
ついて１パルス出力される。従つて、エンドパルスh 入
力後に、ＣＰＵ６２は、信号j でＤフリツプフロツプ８
８Ａ〜８８Ｅをリセツトし、信号i で計数回路９４Ａ〜
９４Ｅをリセツトしてから、信号m まで前置計数器８４
をリセツトする。又、選択信号 k１〜 k３は最初高レベ
ルとするが、信号ｌは低レベルとする。 測定が開始され、デコーダ８６の端子０が励起される
と、計数回路９４Ａがモニタ用の計数パルス e１の計数
を開始する。次いで平行走査ビーム２４の入射開始時刻
（即ち測定範囲の始まり）に対応する矩形信号b の立上
がり b１では計数パルス e２（測定には不使用）が生成
され、寸法 d１の始まりに対応する矩形信号b の立下が
り b２では計数パルス e３が生成され、以下、矩形信号
b の変化点で計数パルス e４（寸法 d１の終りに対
応）、計数パルス e５（寸法 d２の始まりに対応）が生
成される。 この後、エンドパルスh が入力すると、ＣＰＵ６２はリ
セツト信号j を高レベルに維持して計数パルス e１〜 e
５の発生を抑制するので、各計数回路９４Ａ〜９４Ｅの
計数値Ｅ１〜Ｅ５は保持されたままとなる。従つて、Ｃ
ＰＵ６２は、計数回路９４Ｃの計数値Ｅ３、計数回路９
４Ｄの計数値Ｅ４、計数回路９４Ｅの計数値Ｅ５を順次
取込む。 ここで第２図（Ａ）に示した測定対象物の場合、測定セ
グメントは２個所あるが、選択信号 k１〜 k３を高レベ
ルとして得られた計数値Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５だけでは、右
側の測定セグメントに関する情報（寸法 d２の終りの位
置）が足りないので、次の測定では、選択信号 k１を低
レベルとし、デコーダ８６の端子５を選択して、選択ゲ
ータ９０Ａを切換える。するとこの測定における計数パ
ルス e３は、第２図（Ｂ）に示す e３′のタイミング
（寸法 d２の終り）で生成され、必要な計数値Ｅ３′が
得られる。 ここで、計数値Ｅ３〜Ｅ５及びＥ３′は、測定位置Ｙと
タイミング用受光素子２６との距離に対応する値でいわ
ば絶対値であり、予め校正された誤差曲線に基づいてＣ
ＰＵ６２で補正することができる。前記誤差曲線は、例
えばレーザ干渉計と連動したナイフエツジを移動させな
がら、平行走査ビーム２４で走査して、移動量の測定値
をレーザ干渉計の読みと比較する等の方法で予め作成す
ることができる。 今、一定の係数Ｋの乗算と誤差補正の演算をまとめて関
数f で表現すると、測定対象物８Ａ、８Ｂの寸法 d１、
d２は次の式で表現できる。 d１＝ f（Ｅ３）− f（Ｅ４） …（１） d２＝ f（Ｅ５）＝ f（Ｅ３′）…（２） 従つて、誤差が測定位置Ｙについて非線形であつても、
正確な補正が可能となる。 本実施例においては、電子回路４０に、計数用受光素子
３２の出力信号の高低の変化数を計数する前置計数器８
４と、該前置計数器８４が異なる計数値に達する時に入
力が励起されると共に、該入力の１つを任意に選択して
出力する選択ゲート９０Ａ〜９０Ｃとを設け、該選択ゲ
ート９０Ａ〜９０Ｃの出力信号の変化時刻から３つの計
数回路９４Ｃ〜９４Ｅの計数を開始するようにしている
ので、選択ゲーム９０Ａ〜９０Ｃを切換えることによつ
て、測定セグメントの情報を得るための計数回路の数
（実施例では９４Ｃ〜９４Ｅの３個）に制限されずに、
測定位置に増加するこができる。なお、前置計数器８４
や選択ゲート９０Ａ〜９０Ｃを設けることなく、計数用
受光素子３２の出力信号の高低の変化時刻とタイミング
用受光素子２６の出力信号が励起される時刻との間にそ
れぞれ並行してクロツクパルスを計数する計数回路を、
必要な測定数に応じた数だけ設けることも可能である。 又、前記実施例においては、エンドパルスh で計数回路
の計数を停止していたが、逆にエンドパルスh から計数
を開始して、矩形信号b の変化点で個々に計数を停止さ
せるように構成することも可能である。 前記実施例においては、本発明が、ポリゴンミラーを用
いて平行走査ビームを発生する走査型光学式寸法測定装
置に適用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定
されず、例えば音叉偏向器を用いて平行走査ビームを発
生する走査型光学式寸法測定装置にも同様に適用できる
ことは明らかである。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、測定誤差が測定位
置について非線形である場合にも補正が可能となる。従
つて、高精度の測定が可能となるという優れた効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る走査型光学式寸法測定装置の実
施例の構成を示すブロツク線図、第２図は、前記実施例
の作用を説明するための線図、第３図は、従来の走査型
光学式寸法測定装置の一例の構成を示すブロツク線図、
第４図は、該従来例の問題点を説明するための線図であ
る。 ８、８Ａ、８Ｂ……測定対象物、 １０……平行走査ビーム発生装置、 ２４……平行走査ビーム、 ２６……タイミング用受光素子、 h ……エンドパルス、 ３０……受光装置、 ３２……計測用受光素子、 ４０……電子回路、 ５２……クロツクパルス発振器、 ＣＰ……クロツクパルス、 ６２……マイクロプロセツサ（ＣＰＵ）、 ８４……前置計数器、 ９０Ａ〜９０Ｃ……選択ゲート、 ９２Ａ〜９２Ｅ……アンドゲート、 e１〜 e５……計数パルス、 ９４Ａ〜９４Ｅ……計数回路、 Ｅ３〜Ｅ５、Ｅ３′……計数値。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行走査ビーム発生装置と、走査ビームの
   測定対象物走査範囲外で該走査ビームを検出するタイミ
   ング用受光素子と、測定対象物を通過した平行走査ビー
   ムの明暗を検出する計測用受光素子を含む受光装置と、
   前記平行走査ビームが測定対象物によって遮られて生じ
   る暗部又は明部の時間中に計数されるクロツクパルスの
   値から測定対象物の寸法を求める電子回路とを含んで構
   成される走査型光学式寸法測定装置において、 前記電子回路に、前記計測用受光素子の出力信号の高低
   の変化時刻の少なくとも２つと前記タイミング用受光素
   子の出力信号が励起される時刻との間にそれぞれ並行し
   てクロツクパルスを計数する複数の計数回路を設け、 該複数の計数回路の計数値を個別に補正した値の差から
   測定対象物の寸法を求めることを特徴とする走査型光学
   式寸法測定装置。
2. 【請求項２】前記電子回路に、前記計測用受光素子の出
   力信号の高低の変化数を計数する前置計数器と、 該前置計数器が異なる計数値に達する時に入力が励起さ
   れると共に、該入力の１つを任意に選択して出力する選
   択ゲートとを設け、該選択ゲートの出力信号の変化時刻
   から前記複数の計数回路のいずれかの計数を開始又は停
   止するようにした特許請求の範囲第１項記載の走査型光
   学式寸法測定装置。