JPH0720564Y2 - 光学式寸法測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、ビーム径の経時変化や
焦点ずれが生じても、細いワーク寸法を高精度に測定可
能と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、ワーク径がビーム径に比べて充分に大き
い場合にはさほど問題にならないが、ワーク径がビーム
径に近づくと測定精度に影響し始める。

【０００３】図６はこの種の光学式測定装置の一例を示
す構成図である。図中、１０はレーザ光源であり、この
レーザ光源１０から出力されたレーザビーム１２はポリ
ゴンミラー１４で回転走査ビーム１６に変換され、更に
ｆ−θ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はポ
リゴンミラー１４の回転に伴いワーク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はレーザビーム１
２を反射させてポリゴンミラー１４に入射するミラー、
３０はポリゴンミラー１４を回転させるモータ、３２は
回転走査ビーム１６の有効走査範囲外に配置され、１走
査の開始又は終了を検出するリセット用受光素子であ
る。

【０００４】測定用受光素子２６の出力はアンプ４８で
増幅された後、エッジ検出回路５０に入力する。このエ
ッジ検出回路５０は、アンプ４８の出力を波形成形して
エッジ検出を行う。一方、リセット用受光素子３２の出
力はリセット回路５２に入力する。このリセット回路５
２はリセット用受光素子３２の出力タイミングを基にリ
セット信号を発生する。

【０００５】ゲート回路５６はエッジ検出回路５０から
出力されるエッジ信号やリセット回路５２から出力され
るリセット信号のタイミングでオン、オフし、カウンタ
５８はゲート回路５６のオン期間に入力されるクロック
を計数して信号間の時間を計測する。このクロックはク
ロック発生器５４で発生され、モータ３０の回転同期に
も使用される。６０はこのための同期信号発生器であ
り、また６２はモータ駆動回路である。レーザ出力調整
回路６４はレーザ光源１０の出力を一定に保つ。４０は
各種の処理及び制御を行うＣＰＵ、４２はキーボード表
示回路、４４は入出力装置、４６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。

【０００６】アンプ４８の出力（スキャン信号）はエッ
ジ検出回路５０において適切なスレッショルドレベルで
２値化される。図７はスキャン信号の波形図である。こ
の信号は、走査範囲の全体がレベルの高い明部となり、
その中のワーク部分がレベルの低い暗部となった明暗パ
ターンである。但し、これはワーク２２が遮光体の場合
で、これがスリットのように透光体の場合は明暗関係は
逆になる。図７（ａ）（ｂ）はいずれもワーク径がビー
ム径に近い場合のスキャン信号であるが、ワーク径が細
くなるに従い（ａ）から（ｂ）のように暗部の幅が狭く
なり、且つ暗部の深さが浅くなる。この様に暗部の深さ
が異なるスキャン信号は同じスレッショルドレベルＳで
２値化することはできない。このため、ワーク径に応じ
て最適スレッショルドレベルを設定する必要が生ずる。
このスレッショルドレベルの最適値はワーク径とビーム
径との比に依存する。また、スキャン信号の暗部幅は上
下方向に変化しているので、最適スレッショルドレベル
で暗部幅を得てもこれから直ちにワーク径を算出するこ
とはできず、何らかの補正を必要とする。この補正量も
ワーク径とビーム径の比に依存する。

【０００７】上述したワーク径Ｗとビーム径Ｂとの比Ｗ
／Ｂを求める一つの方法として、従来、図８に示すよう
に、スキャン信号のボトムからワーク暗部のボトムまで
の幅ＴＯＰを測定する方法が知られている。この方法
は、ＴＯＰが図９のようにＷ／Ｂの関数であることを利
用したものである。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、図９の
特性はＴＯＰの小さい部分においてＷ／Ｂの識別能力が
低下する欠点がある。また、デジタル方式を採用する場
合、ワーク暗部のボトムを検出するのに何回もスレッシ
ョルドレベルを変化させなければならず、その分信号処
理が煩雑になる欠点もある。

【０００９】本考案は、ワーク径とビーム径との比の識
別能力が高く、またデジタル方式に適したビーム径判別
機能を有する光学式寸法測定装置を提供することを目的
としている。

【００１０】

【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スキャン信号を所
定のスレッショルドレベルで２値化して前記測定領域に
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、前記スキャン信号を異なる２つのスレ
ッショルドレベルで２値化する手段と、前記２つのスレ
ショルドレベルで２値化された２つのワーク幅から、前
記ワークに照射されているビームの径と真のワーク寸法
との比を求める手段と、このビームの径と真のワーク寸
法との比から真のワーク寸法を求める手段とを備えてな
ることを特徴としている。

【００１１】

【作用】スキャン信号のワーク幅は上下方向に変化して
いる。従って、図１に示すように値の異なる２つのスレ
ッショルドレベルＳ１，Ｓ２で２値化すると、それぞれ
において値の異なる２つのワーク幅Ｄ１，Ｄ２を求める
ことができる。この２つのワーク幅の違いは図８のＴＯ
Ｐと同様に真のワーク径（Ｗ）とビーム径（Ｂ）との比
（Ｗ／Ｂ）に依存している。従って、上述した２つのワ
ーク幅Ｄ１，Ｄ２を計測することでＷ／Ｂ比を測定する
ことができる。この様に、２つのスレッショルドレベル
を用いる本考案の方法では、図２のようにＷ／Ｂ比の識
別能力が高く、またスレッショルドレベルの設定が容易
であるためデジタル方式に適している。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本考案の実施例を説明
する。本考案では、図１に示すように２つのスレッショ
ルドレベルＳ１，Ｓ２によって同じワーク暗部から異な
るワーク幅Ｄ１，Ｄ２を測定する。スレッショルドレベ
ルＳ１，Ｓ２は、一方が図６のエッジ検出回路５０で用
いられるものとしたら、他方をそのｋ（但し、ｋは任意
の値）倍とする。例えばＤ１がエッジ検出回路５０で用
いられるものとしたとき、Ｄ２をスキャン信号のトップ
レベルからみてその１．２倍とする。この他に、エッジ
検出回路５０のスレッショルドレベルとは別にＳ１，Ｓ
２を設定する方法もある。この様にすると、Ｓ１とＳ２
の差を大きくとれるので、Ｄ１，Ｄ２の検出精度を向上
させることができる。

【００１３】Ｄ１，Ｄ２が測定されたら、次はＤ１／
（Ｄ１−Ｄ２）を算出し、これを横軸とする図２の第１
換算テーブルを検索してＷ／Ｂ比を求める。図２の換算
特性はコンピュータを用いた数値積分及び数値微分法に
よる数値解析の結果得られたもので、スレッショルドレ
ベルＳをパラメータとしている。従って、このテーブル
使用時には、Ｓ１（又はＳ２）が該当する曲線を選択し
て使用する。この図２のＷ／Ｂ比換算曲線はほぼ直線的
な比例関係を保つため、全範囲において図９の特性に比
べＷ／Ｂ比識別能力が高い。

【００１４】図２で得られたＷ／Ｂ比からビーム径Ｂを
求めるには、図４の第２換算テーブルを使用する。この
テーブルは横軸がＷ／Ｂ、縦軸がＤ／Ｂであり（ＤはＤ
１又はＤ２）、複数の曲線はスレッショルドレベルＳを
パラメータとしている。このテーブルでビーム径Ｂが求
まれば、その値からワーク径Ｗを算出できる。但し、ビ
ーム径を必要としない場合には、図３のような第３換算
テーブルからＷ／Ｄ比を求め、ここにＤ１を代入してワ
ーク径Ｗを算出することもできる。このテーブルはＷ／
Ｄを縦軸、Ｗ／Ｂを横軸としたもので、パラメータはス
レッショルドレベルＳである。

【００１５】なお、図３のテーブルはＷ／Ｂが小さい部
分がフラットになるので極力その部分を使用すると誤差
が少ない。このＷ／ＢとＳとの関係を示したのが図５で
あり、この関係から最適スレッショルドレベルＳ（前述
のＳ１に相当する）の設定が可能になる。この図５の縦
軸Ｓの値は、ワーク暗部の深さを１．０としたもので、
０．０はワーク暗部のボトムである。以上の実施例で
は、遮光性のワークについて説明したが、透光性のスリ
ットについても同様に適用できる。

【００１６】

【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、ワーク径とビーム径
との比の識別能力が高く、またデジタル方式に適したビ
ーム径判別機能を持たせることができる。従って、ビー
ム径に近いワーク寸法を高精度に測定することができ
る。特に、ビームウエストが極端に細く、ビーム焦点に
ワークを設置することが難しい場合に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の原理説明図である。

【図２】 本考案のＷ／Ｂ−Ｄ１／（Ｄ１−Ｄ２）変換
特性図である。

【図３】 本考案のＷ／Ｄ−Ｗ／Ｂ変換特性図である。

【図４】 本考案のＤ／Ｂ−Ｗ／Ｂ変換特性図である。

【図５】 本考案のＳ−Ｗ／Ｂ変換特性図である。

【図６】 走査型光学式寸法測定装置の構成図である。

【図７】 スキャン信号の説明図である。

【図８】 従来のビーム径判別法の説明図である。

【図９】 図８の判別法の特性図である。

【符号の説明】

１０…レーザ光源、１４…ポリゴンミラー、１８…ｆ−
θミラー、２２…ワーク、２４…集光レンズ、２６…受
光素子、４０…ＣＰＵ、４６…記憶装置、５０…エッジ
検出回路、５８…カウンタ。

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スキャン信号を
   所定のスレッショルドレベルで２値化して前記測定領域
   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、 前記スキャン信号を異なる２つのスレッショルドレベル
   で２値化する手段と、 前記２つのスレショルドレベルで２値化された２つのワ
   ーク幅から、前記ワークに照射されているビームの径と
   真のワーク寸法との比を求める手段と、 このビームの径と真のワーク寸法との比から真のワーク
   寸法を求め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。