JPH0658213B2 - 物体の表面プロフイルを同定するための測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、物体上の点と基準点の間の距離を測定し、
かつかかる測定を引続いて繰返すことによつて、物体の
表面プロフイルを同定するための測定装置に関する。こ
の測定装置は、せまい光ビームを放射する光源と、光ビ
ームを物体に案内して、光スポツトを物体上に形成する
第１光学系と、前記光スポツトから反射される光を光感
応検出器に案内するための第２光学系とを有する。

上述した種類の測定装置を使用するときに、第１光学系
の光学軸線上に光ビームを収束させ、かつ物体上に作ら
れる光スポツトに一致するように前記軸線に沿つて収束
点を動かすことが、適当である。可動のレンズが、収束
点を前後に動かすに使用でき、収束点を物体の表面に位
置させるレンズの位置が、光検出器からの信号によつて
検出できる。

知られている測定装置において、第１および第２の光学
系は、第１光学系の光学軸線に沿つて前後に動かすこと
のできるボツクスに包含される。第２光学系は、光源か
ら発せられるビームと物体から反射されるビームとの間
の角度が約４５度になるように、位置決めされる。両光
学系は共通の収束点を有し、ボツクスは、前記収束点を
物体の表面に位置させるように動かされる。測定系は極
めて正確なものであるが、しかしながら、補償しなけれ
ばならない小さな残留誤差が存し、補償は、反射された
光をバイセル検出器に案内する振動光学走査器によつて
なされ、検出器上のスポツトは、検出器の２つの別個の
光感応部分を分離する境界を、横に動く。物体上の光ス
ポツトが２つの光学系の共通の収束点と一致すると、検
出器は、対称な出力信号を発する。しかしながら、補償
が正確でないと、検出器からの信号は非対称になり、非
対称の量の測定によつて、前記非対称を起すボツクスの
小さな偏りが、決定できる。基準点と物体の表面におけ
る点との間の全距離は、検出器および非対称信号におけ
るゼロ交差をボツクスに達成させるに必要な補償の合計
として、計算できる。この系に関するさらに詳しい情報
は、ジー・ピー・ウオーターズ（J.P.Waters）、連合技
術調査センタ（United Technology Research Cente
r）、光学技術（Optical Engineering）１９７９から得
られる。

上述したように、前述の測定系は極めて正確であるが、
しかしながら、これは、多くの距離データを短時間で集
めて、これを、測定される物体を同定する図面を生じる
ためのコンピユータへ移送するような、系に使用するに
は、十分な速さが無い。

知られている測定系の別の欠点として、光源からのビー
ムと反射されたビームとの間の大きな角度（４５度）
が、例えば同定すべき表面の地形における開孔その他の
大きな不規則部の検出を不可能にする。

この発明の主な目的は、従来の装置と比べて高速で作動
するような、また開孔および同様の不規則部を包含する
物体の表面の多くの点と基準点との間の距離を極めて正
確に測定できるような、測定装置を提供して、前述した
欠点を除去することにある。

この目的の達成のため、この発明による測定装置は、第
１光学系の光学軸線上に光ビームを収束するための、第
１光学系に包含される手段、前記光学軸線に沿つて収束
点を動かすための手段、前記光学軸線に向けて物体上の
光スポツトを動かすように、ビームを偏向させるための
偏向手段、基準点と第１光学系の光学軸線上の収束点と
の間の距離を決定するための手段、物体の表面における
前記光学軸線とビームの交差点と前記収束点を通る光ビ
ームの表面における交差点とからの光ビームの偏向の距
離から、物体と前記収束点との間の距離を決定するため
の手段および一方のビームが、第１光学系に包含される
レンズの開口の一方の半分を満すように向けられ、かつ
他方のビームが前記開口の反対側の半分を満すように向
けられるような、二つの交代的に活性化される光ビーム
を発生するための光切換装置を有する。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施例について
詳述する。

第１図の図解的ブロツク線図は、この発明の測定原理を
示す。レーザ形式光源１０は、せまい光ビームを発生
し、これは、可動のレンズ１１によつて表わされる第１
光学系によつて、測定すべき物体１３の表面１２に案内
される。レンズ１１はまた、表面１２から反射された光
を、半透明鏡１４を介して、バイセル光検出器１５に案
内するにも使用され、これの２つの出力信号は、比較器
１６で比較されて１つの出力信号を発生し、これは、後
述において詳述されるような電子工学ブロツク１７へ移
送される。

この発明の測定原理によれば、距離測定は、速い測定と
遅い測定の組合せとして遂行される。遅い測定は、可動
のレンズ１１の前後運動を包含し、速い測定は、表面１
２上の光スポツトを前記表面に沿つて動かす小さくて迅
速な偏向の使用によつて遂行される。偏向は、ブロツク
１８に包含される音響光学偏向器によつて発生する。ブ
ロツクはまた、音響光学変調器を包含し、これによつ
て、レーザビームは、２つのビームａおよびｂを発生す
るように偏向され（第２図参照）、これらビームは、交
代的に作動し、可動レンズ１１の開口の対応の半分をそ
れぞれ満すように案内される。各ビームの小さくて迅速
な偏向と組合わされた、２つの交代的に作動するビーム
の使用によつて、光学系に包含されるレンズの非真直配
列のような環境騒乱に対する免疫が与えられる。

測定の原理について、第２図を参照して説明する。ここ
で、光ビームを物体１３の表面１２に案内する光学系
は、可動のレンズ１１と付加の固定のレンズ１９とを包
含するとして図示され、レンズ１９は点ｆにビームを収
束させ、この点ｆは、測定範囲内で、光学系の光学軸線
２０上に常に位置する。

レーザ１０から出る光ビームは、音響光学変調器によつ
て、２つの方向のいずれかに向けられる。ここで変調器
は、分離したユニツト２５として示される。時間の半分
で、ビームは、図示される方向ａに進み、時間の半分
で、これは方向ｂに進む。最初に、方向ａに伝送される
ビームを考慮する。変調器２５ののちに、ビームは、音
響光学偏向器２１を通過し、次いでレンズ１１を通過す
る。このレンズ１１は、ブロツク２２として図示される
直線並進器によつて動かされる。前述したように、この
レンズの半分だけがビームａによつて照射される。次い
でビームは、レンズ１９によつて表わされる或る別の収
束光学装置を通過し、これらレンズに対しても、開口の
半分だけが照射される。最後にビームは、物体の表面の
近くの点ｆに収束する。ビームａは半分のビームだけで
あるから、これは、物体の表面１２に向つて直角に進む
ことなく、レンズの開口数の約半分の傾斜角で進な。

焦点ｆが、レンズ１９で表わされるような測定ヘツドか
ら距離Ｚ_tのところに、かつ物体の表面から距離Ｚ_dのと
ころに位置するとしよう。とすると、測定しようとする
全距離はＺ_t＋Ｚ_d＝Ｚになる。系は、Ｚ_tおよびＺ_dに関
する量を別別に測定する。第１図で電子工学ブロツク１
７に連結されているコンピユータは、測定された量から
値Ｚ_tおよびＺ_dを計算し、次いでこれらを加算してＺを
得る。

可動のレンズの位置が知られているとすれば、距離Ｚ_t
は理論光学の使用によつて計算できる。直線並進器２２
は、レンズ１１の位置を直接に与えるように較正でき
る。市場で知られている並進器には、回転速度を従つて
並進機構の直線移動を測定する容量感知器が包含され
る。位置は、感知器の出力電圧として与えられる。かく
して、容量感知器電圧の関数として距離Ｚ_tを与える式
が設定できる。

最も簡単な代りのものは、焦点ｆが物体の表面１２に位
置するまでレンズ１１を動かし、次いで単に距離Ｚを読
取るような、フイードバツク系を作ることであろう。あ
いにく、かかるフイードバツク系は、ここで論ぜられる
測定装置における測定速さの要求に適合しない。この要
求によれば、２００mmの範囲内で、レンズ１１は、測定
すべき距離の突然の変化ののちに、焦点で１０ミリ秒で
あるような速さで、動かなければならない。これは１０
０Hzの測定周波数に対応し、フイードバツク系によつて
達成できる測定周波数は約２０Hzであるに過ぎない。こ
れは部分的に、フイードバツク系をゼロ誤差位置に落着
かせたのちに常に起る探求による。

この発明による測定系は、上述したフイードバツク系よ
りも複雑なビツトである。レンズは、物体の表面からの
正確な距離を与えるために正確に位置決めする必要はな
いが、ほぼ正確であるだけの位置を取ることができる。
測定のときに、修正の距離として確認できる距離Ｚ_tお
よび距離Ｚ_dの双方が、正確に決定される。系は、距離
Ｚ_tが正確な物体距離の±４mm以内であるときに、測定
が容認できるように、設計される。これは、Ｚ_dがせい
ぜい４mmであることを意味する。

次に、Ｚ_dの測定について説明する。直線並進系２２
は、可動レンズ１１がどこに位置しようと、レーザビー
ムが常に系の光学軸線２０上で収束するように、構成さ
れる。かくして、物体が第２図のように焦点ｆの後方で
ある場合に、物体の表面上の光スポツトは、軸線上には
決してなく、或る程度一側に変位する。この変位が、Ｚ
_dを決定するに使用される。

第３図は、第１図のバイセル検出器１５を詳細に示す。
物体１３の表面１２から反射される光を集めるに使用さ
れる光学装置は、大部分は、物体を照射するに使用され
たものと同じである。しかしながら、前記光学装置は、
光をバイセル検出器に収束させる付加のレンズ２３を包
含する。この検出器は２つのダイオードＤ₁およびＤ₂を
有し、これらは、せまい線によつて分離される。さて、
物体の表面上の光スポツトＳ₁が光学軸線から変位する
と、バイセル上のその像Ｓ₂も変位する。バイセルの両
半分（ダイオードＤ₁およびＤ₂）によつて発生する電圧
の比較によつて、前記半分の間の強度分布の非均衡の正
確な検出が与えられる。故に、光学軸線における正確な
スポツトの位置が、高い精度で検出できる。

次いで、光学軸線からのスポツトの変位が知られている
と、距離Ｚ_dがこの情報から計算できる。Ｚ_dを決定する
に使用される技術は、各測定に対し、物体上の光スポツ
トが光学軸線に横向きに掃過されることを意味する。音
響光学偏向器２１（第２図）によつて生じる掃過運動
は、約２mmのスポツトの偏向を与える。これは、光学軸
線の方向に約４５mmの距離を掃過するような、光学軸線
とビームの交点（焦点ｆ）を有することに対応する。物
体の表面が焦点に十分に近いと、掃過運動の際の表面上
の光スポツトは、或る点で、光学軸線に位置する。スポ
ツトが光学軸線に到達するに必要な偏向角度は、Ｚ_dの
値を得るために記録され使用される。

実際上、Ｚ_dの上述の測定は、対応する範囲に渉る偏向
器２１の駆動電圧の掃過による或る範囲に渉る偏向角度
の掃過によつて、作ることができる。バイセル検出器
は、バイセルの両半分における強度が等しくなつたとき
を、その時点における偏向器の駆動電圧の正確な値の読
取りに使用されるトリガ信号の発生によつて示すだけ
に、使用される。電圧はＺ_dの値に関連し、これは、こ
の電圧値から計算できる。

２つのビームａおよびｂを使用する理由について、以下
に詳細に説明する。前述したように、光学系に包含され
る真直性の誤差の効果は、２つのビームをＺ_dの決定に
使用するときに、消去される。第４図には、焦点ｆおよ
び物体の表面１２における状態が、拡大して示される。
実線で図示されたビームａは、バイセルが、そのトリガ
パルスを与える時点における、ビームａの中心線を示
す。同様に、実線で図示されたビームｂは、掃過の際に
バイセルがそのトリガパルスを放出する時点における、
ビームｂの中心線を示す。破線ａ′，ｂ′は、偏動が課
せられない場合の、ビームａおよびｂの位置を示す。か
くして、音響光学偏向器は、ａとａ′の間の差およびビ
ームｂに対してｂとｂ′の間の差を生じる。次いで、距
離Ｚ_dは、音響光学偏向器の出力電圧値によつて、直接
に与えられる。さらに、第４図から明らかなように、限
定された値Ｚ_dを与えるためにビームａに対して要求さ
れる所与の偏向は、ビームｂに対するものに等しいけれ
ども反対の値に対応する。かくして、Ｚ_dの値はまた、
ａ−偏向とｂ−偏向の差をとつて、２で割ることによつ
て得られる。小さな誤差が、ビームａおよびｂの偏向の
測定値に包含されている場合には、これら誤差は、等し
いとすれば、Ｚ_dを計算するために差を取るときに打消
される。またゼロ方向偏向（ビームａ′，ｂ′）におけ
るいずれの誤差も、誤差がビームａおよびｂに対して小
さいとすれば、対応電圧値の差を取るときに、打消され
る。

第５図には、前述したようなＺ_dの測定に適した電気信
号が図示される。最上方の曲線は、音響光学変調器の周
波数を決定する電圧Ｕ_mである。かくして、一方の電圧
値がビームａを与え、他方の電圧値がビームｂを与え
る。次の曲線は、音響光学偏向器のための駆動回路の入
力電圧Ｕ_dを示す。電圧は、或る角度範囲に対応する或
る電圧範囲に渉つて掃過する直線斜線である。第３の曲
線は、バイセルの両半分の間の電圧差Ｕ＝U_D1-U_D2を示
す。反射された光のスポツトが、両検出器半分を分離す
る線に渉つて掃過するときには、電圧差は、迅速にゼロ
を通過する。かくして、ゼロ交差は鋭いトリガ信号を与
える。最下方の曲線は、検流計を包含する直線並進器の
位置検出器の出力信号Ｕ_tを示す。ゼロ交差が起る時点
で、音響光学偏向器の電圧値Ｕ_daも、直線並進器の位置
電圧値Ｕ_taも読出される。測定サイクルの第２半分の際
に、対応する電圧値Ｕ_dbおよびＵ_tbが、ビームｂに対し
て読出される。これら４つの電圧は、アナログ・デイジ
タル変換器において、デイジタル数に変換される。かく
して、各Ｚ測定に対して、４つのデイジタル数が、距離
値Ｚの計算のために使用されるコンピユータに供給され
る。

次ぎに、測定それ自身に関する付加の説明をする。焦点
ｆが４mm以内で物体の表面１２から離れるように、レン
ズを動かすことが必要である。次いで２の正確なゼロ交
差信号（各ビームに対して１つ）が達成されるだけで、
信頼できる測定が得られる。それで、物体の表面からの
焦点の距離を与える値Ｚ_dが正確になる。かくして、で
きるだけ新しい情報が、Ｚ_dの実際の値に対して必要で
ある。これに加えて、Ｚ_dが４mmより大きい場合に、Ｚ_d
に対して、できるだけ信頼できる情報も必要である。こ
れは、すべての場合にＺ_dの値の指示を要求し、特に、
Ｚ_dの符号が、可動のレンズの位置を調節するために直
線並進器を正確な位置で始動させるに、重要である。

Ｚの値および符号に関する要求について、次に説明す
る。バイセル検出器の光感応区域は、音響光学偏向がバ
イセルの両半分の間の境界線上に光スポツトの像を持つ
て来ることができない場合にも、Ｚ_dの符号の信頼でき
る指示を与えるに十分な光が検出器の一方の半分によつ
て検出されるような大きさに、選択される。同様に、他
方のビームの像は、バイセルの他方の半分に落ちる。次
いで、測定サイクルにおいて、ビームａに対して、バイ
セル電圧差U_D1-U_D2に或る方向の非均衡が存し、ビーム
ｂに対して、反対方向の非均衡が存する。故に、これら
２つの非均衡の符号と、２つのスポツトがバイセルの両
半分の間の境界線を通過しないという情報によつて、電
子工学装置は、一定の符号の大きなＺ_dが存することが
推論できる。次いで、電子工学装置は、距離の誤差を修
正する方向での最大の速度での直線並進器の駆動を開始
する。ゼロ交差に起すに十分なだけレンズが動かされる
と、系はＺ_dのさらに正確な指示を有する。次いで、値
Ｚ_dが直線並進器を駆動するに使用され、次いで、良好
なサーボ作動が、Ｚ_dをゼロに等しくする企てに使用で
きる。

測定装置の制御のため、第１図のブロツク１７によつて
表わされる電子工学装置が設けられる。この電子工学ブ
ロツクは、音響光学変調器、音響光学偏向器および直線
並進器の制御のため設けられる。さらに、このブロツク
は、ゼロ交差トリガ信号を受取るためにバイセル検出器
に接続され、第１図にブロツク２４によつて表わされて
いるように、コンピユータに接続される。

すでに前述したように、コンピユータは、電圧レベル情
報を、距離Ｚ_dの計算のための音響光学偏向器の駆動装
置から受取り、電圧レベル情報を、距離Ｚ_dを表わす直
線並進器の駆動装置から受取る。次いで、コンピユータ
は、距離ＺをＺ_dおよびＺ_tの合計として計算する。電子
工学装置は種種の方法で設計でき、適当なコンピユータ
は、市場で入手できる多くのコンピユータから選択でき
る。電子工学ブロツクおよびコンピユータブロツクの詳
細な説明は、省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の測定装置を表わす図解的ブロツク
線図である。第２図は、この発明の測定原理を示す図解
的線図である。第３図は、測定すべき物体から反射され
た光の、検出器への案内を示す、図解的線図である。第
４図は、第２図に図示されるような、焦点と測定すべき
物体とを包含する区域の、拡大図である。第５図は、測
定装置に現われる差電圧の形状を示す、線図である。 図面において、１０は光源、１１は可動のレンズ、１２
は表面、１３は物体、１４は反透明鏡、１５はバイセル
光検出器、１６は比較器、１７は電子工学ブロツク、１
８は偏向器、２４はコンピユータを示す。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】せまい光ビームを放射する光源（１０）
   と、光ビームを物体（１３）に案内して、光スポット
   （Ｓ₁）を物体上に形成する第１光学系（１１，１９）
   と、前記光スポット（Ｓ₁）から反射される光を光感応
   検出器（１５，Ｄ₁，Ｄ₂）に案内するための第２光学系
   （１１，２３）とを有する、物体上の点と基準点との間
   の距離を測定し、かつかかる測定を引続いて繰返すこと
   によって、物体の表面プロフィルを同定するための測定
   装置において、第１光学系の光学軸線（２０）上に光ビ
   ームを収束するための、第１光学系に包含される手段
   （１１）、前記光学軸線に沿って収束点を動かすための
   手段（２２）、前記光学軸線（２０）に向けて物体（１
   ３）上の光スポットを動かすように、ビームを偏向させ
   るための偏向手段（２１）、基準点と第１光学系の光学
   軸線（２０）上の収束点（ｆ）との間の距離（Ｚ_t）を
   決定するための手段（２４）、物体の表面における前記
   光学軸線とビームの交差点と前記収束点（ｆ）を通る光
   ビームの表面における交差点とからの光ビームの偏向の
   距離から、物体（１３）と前記収束点（ｆ）との間の距
   離（Ｚ_d）を決定するための手段（２４）、および一方
   のビーム（ａ）が、第１光学系（１１，１９）に包含さ
   れるレンズの開口の一方の半分を満すように向けられ、
   かつ他方のビーム（ｂ）が前記開口の反対側の半分を満
   すように向けられるような、二つの交代的に活性化され
   る光ビーム（ａ，ｂ）を発生するための光切換装置（２
   ５）を有することを特徴とする物体の表面プロフィルを
   同定するための測定装置。
2. 【請求項２】光ビームの収束点を動かすための手段（２
   ２）が可動のレンズである、特許請求の範囲第１項に記
   載の物体の表面プロフィルを同定するための測定装置。
3. 【請求項３】前記の可動のレンズを物体（１３）の方へ
   およびこれから動かすための手段（２２）が設けられ、
   前記手段が、可動のレンズの位置に対応する大きさの電
   圧を放出する測定系と協同する、特許請求の範囲第１項
   または第２項に記載の物体の表面プロフィルを同定する
   ための測定装置。
4. 【請求項４】光感応検出器（１５）が、二つの別々の相
   隣る受光部分（Ｄ₁，Ｄ₂）からなるバイセルでり、この
   バイセルが、物体（１３）の表面（１２）において前記
   光学軸線（２０）を通る偏向された光ビームに対応す
   る、検出器の前記二つの受光部分（Ｄ₁，Ｄ₂）を等しく
   照射する反射された光のスポット（Ｓ₂）によって、ゼ
   ロ交差信号を放出するように配置される、特許請求の範
   囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の物体の表面
   プロフィルを同定するための測定装置。
5. 【請求項５】前記収束点（ｆ）と物体（１３）との間の
   距離（Ｚ_d）を決定するための手段（２４）が、光感応
   検出器（１５）に連結され、そのゼロ交差信号が、距離
   に対応する信号を放出するように前記手段（２４）を活
   性化するような作動をなす、特許請求の範囲第４項に記
   載の物体の表面プロフィルを同定するための測定装置。
6. 【請求項６】偏向手段（２１）が掃過電圧（Ｕ_d）によ
   って駆動され、その大きさ（Ｕ_da，Ｕ_db）が、ゼロ交差
   信号の生起によって感知され、前記大きさが、前記収束
   点（ｆ）と物体（１３）との間の距離（Ｚ_d）を表す、
   特許請求の範囲第４項または第５項に記載の物体の表面
   プロフィルを同定するための測定装置。
7. 【請求項７】制御装置（１７）が各ビーム（ａ，ｂ）の
   ため試料採取をなすように配置され、電圧（Ｕ_ta，
   Ｕ_tb）が、可動のレンズ（１１）の位置および偏向掃過
   電圧（Ｕ_da，Ｕ_db）に対応し、両試料が、ゼロ交差信号
   の生起によって作られ、それぞれのビーム（ａ，ｂ）に
   対応するレンズ位置を表す二つの電圧値（Ｕ_da，Ｕ_db）
   に関する第１の値（Ｚ_t）と、二つの対応する偏向電圧
   値（Ｕ_da，Ｕ_db）に関する第２の値（Ｚ_d）との合計か
   ら、基準点と物体（１３）の表面（１２）における実際
   の点との間の距離（ｚ）を求めるための、計算手段（２
   ４）が設けられる、特許請求の範囲第１項から第６項の
   いずれか一項に記載の物体の表面プロフィルを同定する
   ための測定装置。
8. 【請求項８】光感応検出器（１５）にかつ可動のレンズ
   （１１）を動かすための手段（２２）に連結された位置
   見積手段（２４）が設けられ、前記位置見積手段（２
   ４）は、可動のレンズの収束点（ｆ）が物体（１３）の
   近くの規定された距離範囲内になったことを、検出器
   （１５）からの信号が示すまで、高速でレンズ（１１）
   を動かすように、レンズを動かす手段（２２）を作動
   し、さらに検出器信号が、収束点（ｆ）と基準点との間
   の距離（Ｚ_t）および収束点（ｆ）と物体（１３）との
   間の距離（Ｚ_d）をそれぞれ表す前記電圧（Ｕ_ta，
   Ｕ_tb，Ｕ_da，Ｕ_db）の試料採取を開始するように、制御
   装置（１７）を作動する、特許請求の範囲第７項に記載
   の物体の表面プロフィルを同定するための測定装置。
9. 【請求項９】光切換装置（２５）が音響光学変調器であ
   る、特許請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に
   記載の物体の表面プロフィルを同定するための測定装
   置。
10. 【請求項１０】偏向手段（２１）が音響光学偏向器であ
    る、特許請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に
    記載の物体の表面プロフィルを同定するための測定装
    置。
11. 【請求項１１】光源（１０）がレーザである、特許請求
    の範囲第１項から第１０項のいずれか一項に記載の物体
    の表面プロフィルを同定するための測定装置。
12. 【請求項１２】ビーム切換周波数が約１kHzである、特
    許請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一項に記載
    の物体の表面プロフィルを同定するための測定装置。
13. 【請求項１３】第１光学系の可動のレンズ（１１）が、
    第２光学系の部分でもあり、後者も、光源（１０）から
    の光を通すけれども物体（１３）から反射された光を光
    感応装置（１５）へ偏向させるビーム分割装置（１４）
    を包含する、特許請求の範囲第１項から第１２項のいず
    れか一項に記載の物体の表面プロフィルを同定するため
    の測定装置。
14. 【請求項１４】ビーム分割装置が半透明鏡である、特許
    請求の範囲第１３項に記載の物体の表面プロフィルを同
    定するための測定装置。