JPH0754252B2 - Ｚ軸方向位置測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は非接触測定の技術分野に関するものであり、よ
り詳しくは、基準高さ若しくは基準面の、上方若しくは
下方にその表面が位置する対象物の、Ｚ軸（通常は垂直
方向の軸）方向の位置（高さ）を光学的に測定するため
の方法と装置に関するものである。

非接触測定の技術は工業上の、特に生産行程の一部とし
ての、巾広い利用範囲を有するものである。生産行程に
おいては、その生産を成功させ、利益を得られるものと
するために、精密な検査と正確な測定とが重大な要件と
されている。高画質のフォトエレクトリック装置の出現
により、現在、多種多様な工業生産における、非接触欠
陥検査、物品計数、それに精密測定等の各機能のオート
メーション化が技術的にも経済的にも可能となってい
る。

本発明は電子光学装置に関するものであり、該装置はＺ
軸方向の位置を正確且つ精密に検出し、しかもその位置
をリアルタイムで測定し、更には測定装置と被測定対象
物との物理的接触をなんら必要としないものである。

非接触測定を目的として設計された装置は先行技術に多
く存在し、以下に説明するような種類のものが有る。広
く利用されている方法の１つとして、自動焦点のコンセ
プトを含むものがある。このコンセプトは、被測定対象
物が光学系の焦点面内に位置するときに最良の焦点が得
られるという考え方利用したものである。基準高さに対
する対象物の相対的高さは、例えばテレビジョンセンサ
等のセンサの結像面におけるこの被測定対象物の映像の
焦点について、その焦点がどの程度にまで合っているか
を測定することにより、測定することができる。

この、焦点の合っている程度（焦点整合度）は、映像信
号中の高周波エネルギー成分量から測定することがで
き、このことは、映像の鮮明度は映像信号中の高周波成
分もしくは広帯域エネルギーに略々比例するという事実
に、基づいている。従って、映像中の細部模様に因るエ
ネルギーが、即ちその高周波成分が最大となる点を通る
ようにカメラを移動させれば、最良焦点におけるカメラ
のＺ軸位置を測定することにより、被測定面の高さを確
定することができる。

斯かる自動焦点装置は、それをＺ軸方向位置測定装置と
して利用することを妨げるような欠点を有している。上
述の先行技術の装置を作動させるためには、測定表面に
細部表面模様がなければならず、換言すれば該表面に目
立つ特徴がなければならない。例として、鏡や、みがき
上げた金属の表面のような、きれいな反射性の鏡状の表
面は、これらの装置を用いてその高さを測定することは
不可能である。更には、セラミック材の表面のような特
徴のないランバート表面（Lambertian surfaces）や、
暗色のプラスチックのような反射率の小さい表面も、こ
の種の装置を用いて測定することは不可能である。

ある種の自動焦点装置は、更に、旋盤の加工跡や工具に
よる加工跡のような、表面的特徴の方向性にも影響を受
け易い。斯かる加工跡がセンサの走査線の方向と略々平
行であれば、走査により焦点に関する極わずかの情報し
か得られないか、またはそのような情報が全く得られ
ず、従って正確なＺ軸測定を行なうことは不可能であ
る。

従来技術に係る別の種類のＺ軸方向位置測定装置とし
て、レンジファインダに広く用いられているような三角
測量を利用したものがある。この種の装置は概して、工
業において要求されるような類の測定を行なうのに充分
なだけの精度を欠いている。工業において要求される精
度は１万分の１乃至２インチ程度のものである。この種
の装置は更にその他の種類のＺ軸方向位置測定装置と比
較してより複雑な光学系を必要とするとともに、同程度
の精度を得るための作業間隔が、その他の装置と比較し
てより小さくなってしまう。作業間隔とは対物レンズの
外表面と被測定表面との間の距離であって、実用性を良
好なものとするためには数インチ程度なければならな
い。

従来技術に係る第３の種類のＺ軸方向位置測定装置とし
て、レーザ干渉計がある。この種の装置は比較的構造が
複雑で価格も高く、更には通常それほど多くの種類の表
面には適用できない。しかしながら、特別に設計された
レトロリフレクタを細心の注意を払って装着し調整した
上で用いるならば、レーザ干渉計は極めて正確且つ精密
な測定が可能である。

Ｚ軸方向の非接触表面位置測定のためのその他の方法と
して、エアゲージを用いる方法がある。この装置は広く
用いられており、価格が低廉で、正確且つ精密な測定が
可能である。しかしながら、作業間隔が極めて小さく通
常わずかに１インチの数分の１である上に、エリア解像
度が比較的粗くて1/16インチ程度であり、従ってエアゲ
ージの利用範囲は限られたものとなっている。

本発明の目的は、以上に説明したような従来の装置にお
ける欠点を克服することにある。特に本発明は、従来の
自動焦点装置が正確なＺ軸方向位置測定に用いられるこ
とを妨げているところの、上述の表面的特徴に影響を受
け易いという問題を、克服するものである。本発明は、
鏡面状の表面、セラミック材のような一様で特徴のない
ランバート表面、それにしばしばプラスチックの表面が
そうであるような暗色の、反射率の小さい表面の、正確
な位置測定が可能である。本発明は、信号を処理する電
気回路のS/N比（信号対雑音比）に関する制限を克服し
得るだけの表面反射率が有れば、ガラスのように本来透
明な材料の表面を検出し、その正確な位置を測定するこ
とさえ可能である。信号を処理する電気回路においては
表面的特徴に関する制限は何もなく、従って表面的特徴
に附随する測定誤差が累積することもなく、これが測定
の質の低下をもたらすこともない。

本発明の装置は精度を向上するために作業間隔を小さく
する必要もなく、またレーザ干渉計測定装置に必要とさ
れるような特別の反射装置を用いる必要もない。更には
本発明の装置は大きなスペースも必要とはせず、何故な
らば、本発明の装置は、被測定表面上の直径わずか千分
の数インチのスポットのＺ軸方向距離をも、測定するこ
とができるからである。

本発明は、新規な方法により、表面的特徴に影響を受け
ないようにすることを得た。先ず映像が光学的に造り出
され、該映像は光学手段によって空間上の１点へ向けて
投影される。この投影点は測定装置の対物レンズの外表
面から一定の距離にある。従ってこの一定の距離は装置
の作業間隔であると見なし得るものであって、好適実施
例においては通常６インチ程度である。

また、カメラと光学系とが互いに固定的に組み合わされ
ており、この組合せ体は１つのユニットとして一体的に
Ｚ軸方向に移動自在であって、その際、このＺ軸方向の
移動は、上動と下動のいずれの向きの移動においても正
確且つ精密に制御することが可能である。この移動は、
精密ねじと機械的に連結されたサーボモータや、その他
の、精密な電気的指令及び制御の下に前記のカメラ／光
学系の上動及び下動する適切な機構により行なわれる。

このようにＺ軸方向の位置が正確且つ精密に決定され制
御されるばかりでなく、前記移動系（カメラ／光学系）
の速度並びに加速度も制御されている。

前記のカメラ／光学系の移動に伴ない、投影される前記
光学像が移動する。この投影像は対象物の被測定面に対
して上下方向へ移動する。被測定面から反射される反射
光エネルギーは投影像の被測定面からの距離に応じて変
化する。投影像から光学系を介してセンサへと反射され
る光学エネルギーが最大になるのは投影像の結像面が対
象物の被測定面と完全に一致したときである。センサの
受感面に投影される映像の光エネルギーは、映像と被測
定面との間の距離の関数とし緩やかに減少する。結局光
学像が対象物の表面に焦点を結んだときにセンサに結像
する反射光エネルギーが最大となるのであるが、本発明
は、厳密に言えば、斯かる焦点に関するコンセプトに基
づいて作動するものではない。

本発明の好適実施例においては、投影像はレチクル、即
ち目の粗い格子により得られるものである。この格子は
複数の、等間隔で交互に配設された不透明バーと透明バ
ーとから成るものである。不透明であると透明であると
を問わず、総てのバーは同一の巾を有し、斯かる構成は
通常Ronchiルーリング（Ronchi ruling）と称されてい
る。この格子はレンズを介して一側から照明される。レ
ンズを介して照明する目的は、装置の対物レンズの開口
を一杯にすることである。

格子を通過した光束は銀を半蒸着したミラーやプリズム
（即ちビームスプリッタ）により反射されてその方向を
90度回転させられる。次に光束は装置の対物レンズを通
過し、この対物レンズは空間上のいずれかの位置でこの
光束に焦点を結ばせる。この焦点位置は、そのＺ軸方向
位置を決定すべき対象物表面に一致していることも有れ
ば、一致していないことも有る。焦点を結んだ格子の映
像が被測定面上にあるか否かは前記移動系の対象物表面
に対するＺ軸方向位置に関っている。

もし格子の映像が被測定面上に焦点を結んでいるのであ
れば、該映像の光エネルギーのうちの幾分かが、被測定
面の形状性質と反射率とに応じた量だけ反射して返され
る。対象物表面で反射された光は、前記対物レンズを逆
方向に通過した後、格子から直に入射する入射光束の方
向と直角の方向で前記ビームスプリッタを通過し、セン
サ上に結像する。以上の光学系は、好ましくは、空間上
に焦点を結んだ映像と格子との間の極離が、センサとこ
の空間上の映像との間の距離と等しくなるようにして、
格子とセンサとの間で倍率が一致するようにするのが良
い。

格子を構成する各バーは、該バーの映像がセンサ上に結
像したときにセンサの走査方向と直角になるように、回
転自在に方向付けられている。換言するならば、各々の
線上走査がバーの縞模様の方向に対して１つの角度を、
望ましくは平行以外の角度を持ち、これより前記カメラ
から出力される電気信号が、所定の、変動のない、予め
知ることのできる基礎周波数成分を有する周期関数を含
むように、してある。この基礎周波数の値は、一対のバ
ー（不透明バー１本と透明バー１本とで一対のバーであ
る）を走査、即ち読出すのに要する時間に逆比例する。
バーの縞模様に因る信号の振幅は、無論、対象物表面か
ら反射される光エネルギーの量に比例する。バーの縞模
様の結像面が対象物の表面と一致しているときに、この
信号の振幅は最大値になる。

ここで「焦点」なる用語の意味について考察する。一般
に、細部が優れた画質で映像中に映し出され、且つ映像
中の対象物の縁部が非常に明瞭であるとき、映像の焦点
が合っていると言われる。解像度と明瞭度とは焦点の合
っている映像において最大値をとる。映像の焦点が合っ
ているということ（焦点整合）を定義する別の方法は、
映像の空間周波数のうちの最も周波数の高いものが最大
限に再生されるということである。この定義は、焦点を
エネルギーのスペクトル成分で表現している（映像は２
次元のスペクトルで評価することができ、これは、その
概念において時間の関数の１次元のフーリエスペクトル
と同様である）。１次関数との類推から、映像はモジュ
レーション・トランスファー・ファンクション（以下MT
F）と呼ばれる伝達関数を有する、と言うこともでき、
この伝達関数は１次元図形乃至は２次元図形の形の周波
数分布を有している。焦点の合っている映像は焦点の合
っていない映像と比較して、エネルギースペクトル中の
高周波数成分をより多く含んでいる。

自動焦点装置は、MTFを最大限に拡張して映像中のエネ
ルギーの最高周波数成分が最大となるようにする方法に
より、作動するものである。この周波数成分が最大とな
るのは、非常な細部まで視認し得るようになったときで
あり、また映像中の対象物の縁部が非常に明瞭になった
とき（映像のぼけが最少になったとき）である。斯かる
自動焦点装置とは異なり、本発明は、映像中のエネルギ
ーの、そのスペクトル中の高周波成分を最大にするよう
に作動するものでもなく、また対象物の縁部の明瞭度を
増大するように作動するものでもない。本発明は、MTF
が最大限に拡張されたときには、反射像のエネルギース
ペクトル中のいかなる周波数の周波数成分のエネルギー
量も最大値になるという原理により、作動するものであ
る。この原理はエネルギースペクトルの低周波数成分に
も、高周波数成分にも、あてはまるものである。映像の
焦点が合っているときに、その映像のエネルギーの総て
の周波数成分が最大となるという事実から、本発明はＺ
軸方向測定装置として使用する他に、必要とあらば自動
焦点装置としても使用することができる。しかしながら
本発明の自動焦点機能は有用なる副産物であって、本発
明の第１の目的ではなく、更には本発明の焦点という現
象に基づいて作動するものではない。

高周波数情報を用いてＺ軸方向位置測定を行なうこと、
即ち、自動焦点装置において信号を微分したり高周波利
得を上げることにより通常行なわれている、測定帯域の
拡張の努力には不具合が伴う。重大な不具合の１つは以
下の事実から生じるものである。即ち、映像のエネルギ
ースペクトルは、それが焦点の合っている映像のスペク
トルであっても、周波数が増加するにつれてエネルギー
成分が減少するが、一方、これに対してセンサと信号処
理用電気回路とに生じるノイズの量は、周波数と無関係
に一定のままであるか、もしくは周波数の増加につれて
増大するという事実から不具合が生じている。高周波利
得を増大させることに頼る作動は、またエネルギースペ
クトルの高周波成分の量に頼る作動ですら、ノイズの混
入に起因する測定誤差を生じ易く、また使用上の制限を
受け易い。

加えて、測定装置により測定しようとする表面の特質に
よっては、高周波数情報もしくは広帯域情報を利用する
ことに本質的に附随する不具合であってしかも重大な不
具合が生じることがある。例えば、セラミック材のよう
な多孔質の表面は、表面下への透過により光を拡散し散
乱する。斯かる拡散並びに散乱は高周波数エネルギーの
周波数に比例して減衰し、従ってS/N比を、そして測定
精度を悪化させる。更には、機械加工した表面や研石加
工した表面において通常見かけるような表面の凹凸は、
空間周波数の低い模様より空間周波数の高い模様即ち微
細模様についてはるかに多く拡散することから、これも
S/N比を、そして測定精度を劣化させる。

空間周波数が低過ぎる場合には総合的な性能が劣化し、
何故ならばエネルギーのピークの検出精度が非常に劣化
して測定精度を落とすからである。本発明は、最も望ま
しくは、用いられる格子の空間周波数がMTFの端部の近
傍ではなく、MTFの「膝」部分の高周波数側に設定され
た上で作動するように構成される。好適実施例において
は、折衷案として、格子の空間周波数は、約460キロヘ
ルツの基礎周波数信号が得られるように設定されてい
る。このように設定することにより、セラミックの表面
を含めた種々多様な表面について良好な結果が得られ
る。

本発明は、被測定表面上に映像（本発明の場合この映像
はRonchiルーリングとして形成された格子の映像であ
る）を投影するということに主に基づいて作動する。こ
の装置においては、対象物に表面的特徴を「眺め」て検
出する必要もなく、それをすることが望ましいのでもな
い。これについては然るべき理由がある。第１に、ほと
んど総ての表面的特徴は表面の凹凸に、更に詳しくはそ
の凹凸が照明されたときに生じる陰影に伴なう種類のも
のである。もし、信号の処理過程にそれらを区別するた
めの手段が介在していないのであれば、処理装置は投影
された格子の模様と凹凸による像とを識別することがで
きず、処理装置の内部において混乱が生じるであろう。
表面の凹凸が深いような場合には、かなりの測定誤差が
生じる可能性がある。

表面的特徴を排除する第２の理由は周波数帯域巾とS/N
比とに関するものである。表面的特徴は様々な寸法と形
状とを有するものであり、しかも寸法と形状とはランダ
ムに分布し得るものであるから、処理装置は広い周波数
帯域巾を持たねばならなくなり、周波数帯域巾が広けれ
ばより多くのノイズが装置に入ってくることになる。表
面的特徴を除外する第３の理由は、表面的特徴は定まっ
た方向性を持たないからである。方向性の定まっていな
い表面的特徴を適切に処理するためには、いかなる方向
に延伸している視覚的特徴、いかなる方向に延伸してい
る縁線をも、強調し、または微分し得る能力が必要とさ
れる。しかるに、信号の処理における微分処理はS/N比
を悪化させ、従って避けるべきである。

本発明は、追跡と測定のプロセスにおいて、表面的特徴
を影響を減少させ、乃至はその影響の大部分を除去する
ための手段を含んでいる。表面的特徴の影響を除去する
ためのプロセスは以下の事実に基づいている。即ち、表
面的特徴をセンサが走査した結果得られる信号のエネル
ギーは、通常映像スペクトルの全域に亙って広がり、し
かも周波数の増加にともなって減少しつつ広がっている
のに対し、一方、格子の映像の縞模様を走査して得られ
る映像信号エネルギーは、走査された縞模様の基礎周波
数においてピークを形成し、しかも該基礎周波数の両側
において急速に減少するという事実に基づいている。従
って、その中心周波数をこの基礎周波数に合わせたフィ
ルターであって、しかもエネルギースペクトル中の、表
面的特徴を走査することにより生じる信号のエネルギー
をほとんど総て区別して除く（即ち除外する）のに充分
な程に帯域の狭いフィルターであれば、映像信号中の、
実質的に全ての表面的特徴に係るエネルギーを除去する
ことができる。このようなフィルターは、除去される表
面的特徴に係る信号をノイズもしくは干渉と見なし得る
という意味において、整合フィルタ（matched filter）
であると見なすことができる。

この狭帯域フィルターは、装置を、必要な速度乃至は所
望の速度で安定して作動させ得るのに充分な帯域巾だけ
を、持つことが必要である。好適実施例においては、こ
のフィルターの帯域巾は約40キロヘルツに設定されてい
る。この帯域巾は、基礎周波数のエネルギー、即ち投影
された縞模様に係る信号のエネルギーを略々総て通過さ
せるのには充分な巾であり、しかも表面的特徴等の、映
像信号中のその他の成分のエネルギーは問題にならない
程度の量しか通過させないような巾である。しかして、
同時に、このフィルターの帯域巾は、そのフィルターの
中心周波数の設定に困難を生じたり、周波数のドリフト
により問題が生じる程に狭いものではない。

Ｚ軸の沿って移動する移動系は、カメラとそこに組入れ
られたテレビジョンセンサ、光学系機構、Ronchiルーリ
ングとして構成された格子、格子を照明するための手
段、駆動用モータとその関連部品、それに移動系のＺ軸
位置を測定するための手段とから成り、これら全てのも
のは１つのユニットとして一体に垂直方向、即ちＺ軸方
向に移動自在である。この移動の移動範囲は格子の映像
による映像信号エネルギーの検出値が最大となる点を含
むものであって、この点のＺ軸方向位置が高精度で測定
されるのである。以上の移動系の移動は一定の速度で、
より詳しくは正確な測定が可能な最大速度で、行なわれ
る。

センサ（カメラ）が１回の垂直方向走査（カメラ）のス
クリーン１面の走査）を行なっている間の狭帯域整合フ
ィルターの交流出力は、対象物表面からの反射光の中の
基礎周波数のエネルギーに、即ち格子の映像に係るエネ
ルギーに、比例した振幅を有している。好適実施例にお
いては、この交流信号は周波数が460キロヘルツの正弦
波である。フィルターの帯域巾は上側波帯と下側波帯と
を通過させる程広いため（これらの側波帯は、460キロ
ヘルツの「搬送波」が15,750ヘルツのカメラの水平方向
走査（走査線１本の走査）のブランキングにより変調さ
れることにより生じるものである）、このフィルターか
らの出力は振幅変調された波形を有している、この振幅
変調は出力に附随しているものであるが、しかしながら
装置の作動には実質的な影響をなんら与えるものではな
い。カメラの映像信号の全周波数帯域巾（通常約４メガ
ヘルツ）と比較して帯域の狭い（約40キロヘルツ）この
フィルターは、ノイズをかなりの程度まで減少させる。
これによりS/N比は約20デシベルにまで高められ、何故
ならば格子の映像から得られる信号はこのフィルターに
よりほとんど減衰されないからである。格子による信号
は、このようにフィルターを通過した後に全波整流され
（即ち絶対値が取られ）、この絶対値がカメラの測定範
囲（スクリーン）の面の全域に亙って積分され、、１面
の走査が終了したときにその積分値がサンプリングされ
る。このようにして、１つの面の走査が終了する毎に１
つのサンプル値が得られ、実効サンプリング速度は１秒
間に60サンプル値となる。

次にこれらのサンプル値はアナルグ・デジタル・コンバ
ータによりデジタル形式に変換され、デジタルメモリ、
即ち格納レジスタの格納される。これらのデジタル値と
共に、それらの値に対応する、即ちそれらの値が得られ
たときのＺ軸方向位置の値（これらの値もデジタルであ
る）もメモリに格納され、従ってこれら２組の数は相互
に関連させられている。次にこれら２組の数はいずれも
読出されてコンピュータに送られ、そこで内挿法と円滑
化のためのアルゴリズムによりデータポイントの列に対
して滑らかな曲線が当てはめられ、またＺ軸方向位置の
値と値との間で線形内挿法が実行される。

カメラと光学系とを含む前記移動系は、測定の対象とな
るＺ軸方向範囲内を一定の速度で滑らかに移動する。そ
のため、データポイントに最も良くしかも最も滑らかに
適合する数学的に算出されたカーブは、西洋つりがね形
のカーブを描き、このカーブのピークは格子の映像を走
査して得られる周波数である基礎周波数のエネルギーが
最大になる点である。このピークは前記データポイント
の位置の丁度一致することもあればそうでないこともあ
り、実際には、ほとんどの場合データポイントとデータ
ポイントとの間にある。このカーブのピークは更に、格
子の映像の縞模様が最良の焦点状態にある点に生じるも
のでもある。

この、ピークが生じる点は、そのＺ軸方向位置を測定し
ようとしている対象物表面に対する、正確で再現可能な
Ｚ軸方向位置を表わしており、この点のＺ軸方向位置の
正確な測定こそが本発明の主目的である。前述の如く、
データポイントのＺ軸方向位置に対しては内挿法が適用
され、円滑化され内挿法が適用された位置の値は、対象
物表面についての極めて正確なＺ軸方向位置の情報を与
える。Ｚ軸方向位置の測定においては、その位置の差の
測定こそが重要なのであり、何故ならば基準を定めない
ただ１点のみの高さには意味がないからである。従って
ある意味においては、厚さや、例えば他の何らかの面の
上方若しくは下方にある対象物表面のような、高さの差
のみが、意義を有する。従って測定を有用なものとする
ためには、１つの測定を２つの別個のＺ軸方向位置測定
により行なわねばらない。装置の使用法の一例として
は、基板上に形成された導電性材料の夫々の層の厚さの
測定、即ちプリント基板上の配線の厚さの測定がある。
別の使用法としては、測定対象物が置かれている載置台
のＺ軸方向位置を測定し、測定対象物のＺ軸方向高さの
測定値からこの載置台の測定値の読みを減ずることによ
って、この測定対象物の高さを測定する測定がある。

広い概念でとらえるならば、一様で且つ認識可能なパタ
ーンを有するものであればどのようなものでも、実施例
のRonchiルーリングとして形成された格子に替えて用い
ることができ、また適当な整合フィルターを用いて、そ
のようなパターンの映像を背景ノイズから抽出してS/N
比を最大限に向上させることができる。

ここでデータポイントの西洋つりがね形カーブについて
考察する。このカーブは、前記移動系が先ずこのカーブ
のピークから一側方に外れた位置からピークへと、即ち
最大エネルギーの点へと向かって移動し、次にこの最大
エネルギーの点を通過してピークの反対側へと進行して
行くことにより得られるものである。前述した如くデー
タポイントには滑らかなカーブが当てはめられ、そのた
め、データのピークが１つのデータサンプル位置の真上
に位置していない場合であっても、真のピークが検出で
きる。ピーク検出するための別の方法としては、振幅の
ピーク付近を切取り、例えばピーク値の50パーセントで
切取り、次にこの切取りスレショルド値よりの上方にあ
るサンプル値を計算してその図心を算出する方法があ
る。この図心は重心、即ち質量中心に等しい（ときにこ
れを１次モーメントとも言う）。この方法は、計算が簡
単で早くできる点において、前記のデータに数学的にカ
ーブを当てはめる方法よりも好ましい場合が有る。

好適実施例においてはカメラは一定の速度で移動し、出
力データのサンプル値はこのカメラの垂直走査（１画面
の走査）の速度で与えられる。これは通常毎秒60サンプ
ルである。カメラがその上にマウントされている固定側
構造部には精密スケールが固定的に取付けられており、
カメラに固定的に取付けられカメラと一体に移動する可
動スケールリーダーでこのスケールを読取ることによっ
て、カメラのＺ軸方向の位置が非常に正確に測定でき
る。スケールは一例として、温度に対して安定なタイプ
のガラスでできており、１インチの100万分の40（１ミ
クロン）の精度で光学的に読取られるものである。スケ
ールリーダーは１秒間に60回参照され、これにより各デ
ータサンプル毎にスケールが１回づつ読取られる。

本発明の更なる目的と利点とは添付図面を参照すること
により更に明らかとなろう。

第１図は、本発明の教示に従って構成された好適実施例
の光学系の模式図を示す。センサ12を有するTVカメラ10
は、対物レンズ16と同線上に配設されたビームスプリッ
トミラーアセンブリ14に対して同軸的に固定位置関係で
配設されている。このアセンブリ14は適当な基板20上に
載置された測定対象物18の上方に位置している。

この好適実施例においては、Ronchiルーリングとして形
成された格子22が同軸的な照明ブロックの内部に、前記
スプリットミラー14に対して直角線上に配設されてい
る。光源24が前記格子22と同軸的に配設され、この格子
22を照明している。投影されるこの格子の映像は、ビー
ムスプリットミラー14と対象レンズ16とを介して対象物
の表面に焦点を結ぶ。反射された映像はセンサ12におい
て再び結像する。

以上の各部材は互いに固定的に組み合され、一体的に垂
直方向に移動自在であり、従って可動ユニットを構成し
ている。

対象物の表面はスクリーンの如く作用し、そこに格子の
映像が投影され、次に反射されてカメラのセンサ12にお
いて再び結像する。この対象物表面上の映像はコントラ
ストが強く、ビデオシステムが焦点を合わせる上での実
質的な指標を提供するものである。

カメラのセンサに対する格子の倍率は常に１対１であ
り、この理由により、装置の倍率に拘らず帯域巾の狭い
電気的フィルターを用いて格子に係る方形波を検出する
ことができる。

図中、距離Ａはセンサ12からビームスプリッタ14までの
距離を表わす。距離Ｂは格子からビームスプリッタまで
の距離を表わす。距離Ｃはビームスプリッタから対物レ
ンズまでの距離を表わす。以下の式中では、距離Ｄが対
物レンズから対象物表面までの距離を一般的に表わし、
図中のＤ′とＤ″とが個別の高さ測定におけるその距離
を表わす。

いかなる場合においても距離Ａは距離Ｂと等しく、従っ
て次の関係が成り立つ。

Ａ＝Ｂ Ｃ＋Ａ＝Ｃ＋Ｂ （Ｃ＋Ａ）/D＝倍率＝（Ｃ＋Ｂ）/D 光学系におけるパラメータを以上のように定めたため、
格子22の映像が対象物18′若しくは対象物18″上に投影
され、この対象物表面上の映像に応じて得られるカメラ
からの出力信号を検出することにより、そり詳しくはカ
メラが垂直方向に移動する間にその検出信号の最大振幅
位置を測定することにより、対象物表面の位置が検出さ
れる。

実際には、光学系は単に１つの映像を対象物表面へ向け
て投影するだけであり、次に、ただ１箇所でのみ焦点が
合うことができるこの投影像の焦点合わせをすることに
より、この投影像の位置合わせが行なわれ、焦点が対象
物表面上に合わせられる。カメラアセンブリ（可動ユニ
ット）がＺ軸方向にわずかに上動及び下動するだけで、
前記検出信号の周波数のエネルギーの振幅が最大になる
点を検出することができる。この出力信号が最大振幅と
なる点は、投影された映像の上方の高さと相関関係にあ
る。映像を対象物表面に投影することにより、該表面か
ら上方の高さが測定できるのである。

前記検出信号の周波数は、使用されるカメラの走査速度
と格子を形成するバーの間隔との関数である。従って、
投影された映像からの高さの測定は、カメラによって光
学的に監視される対象物表面の性質から完全に独立して
いる。

テストをした結果に拠れば、鏡状の対象物に焦点を合わ
せた場合には最良の映像が最も強いコントラストで得ら
れ、一方、つや消し状の表面に焦点を合わせた場合には
コントラストは最も弱くなる。本発明においては、対象
物の表面構造、表面状態等が直接カメラ／光学系により
監視されることはなく、この表面上に投影された映像の
みが検出される。以上により、表面の特質や表面上の刻
印、加工跡、目印等に関係なく、表面の位置測定、それ
に該表面上に在る物体の高さの測定が可能となってい
る。

投影された映像がどのように信号化されるかは任意であ
って、信号はテレビジョンカメラの走査速度と実際に使
用されている格子のバー間隔との関数である。

好適実施例においてはRonchiルーリングとして形成され
た格子が用いられ、更に毎秒60面の走査する通常のテレ
ビジョンカメラ（ビデオカメラ）が用いられている。こ
のカメラは投影された格子の映像を横切って毎秒15,750
回の走査を行ない、約455キロヘルツの周波数の出力を
送出する。使用する格子のバー間隔が異なれば出力の周
波数は当然異なったものとなるが、装置の原理は同一で
ある。

実際の使用に際しては、カメラと光学系がＺ軸方向に移
動させられ、最良焦点の尺度である検出出力信号の最大
振幅を検知することにより測定が行なわれる。最良焦点
位置が測定されると、Ａ＝Ｂであり従ってＣ＋ＡがＣ＋
Ｂに等しいことから、測定装置は表面位置を決定するこ
とができる。

第２図に関し、同図には、最良焦点の関数である処理後
信号の最大振幅を検出する、従って対象物表面の位置を
検出するための装置の全体を示すブロックダイアグラム
が図示されている。

同図に示された装置の主目的はＺ軸方向の高さ測定を行
なうことであり、それ故最初に先ず第１図に示した装置
により表面位置の測定を行なわなければならない。この
方法は、基本的には、所定の空間周波数の所定の格子模
様を光学系を介して対象物表面に投影する過程と、最良
焦点の関数としての投影像を検出する過程、即ち表面の
位置を検出する過程を含むものである。換言すれば、表
面自体の映像の焦点が合うような距離に光学系がある場
合には、投影像の焦点も、同時に、その面において正確
に焦点が合うのである。この方法は、基本的には、投影
像の縞模様に対応する電気的映像信号である情報を、処
理する過程を含むものである。

好適実施例では中心周波数としては455キロヘルツが選
ばれているが、その理由は単に、中心周波数がこの周波
数に定められている狭帯域フィルターが最も入手容易で
あるということに過ぎない。周波数が455キロヘルツで
あるということに関して特別のことは何もなく、その他
の周波数も利用するとができる。この周波数は格子のバ
ーの間隔とカメラの走査周波数との２つのみによって決
定される。実際に可動ユニット30のカメラにより監視さ
れる映像は第１図においてより詳細に説明した格子の投
影像である。カメラは格子の投影像を走査し、光学的な
映像を電気的に表わす電気波形を出力する。カメラから
のこの出力信号は、光学的投影像に対応する455キロヘ
ルツの方形波を含んでいる。カメラの出力はハイパスア
ンプリファイア32に入力され、このアンプリファイアは
基本的に455キロヘルツ付近の周波数成分を増巾するも
のである。ハイパスアンプリファイア32の出力は狭帯域
フィルター34に入力され、このフィルター34は、中心周
波数が455キロヘルツ、帯域巾がこの中心周波数からプ
ラスマイナス約15乃至20キロヘルツで計30乃至40キロヘ
ルツのフィルターである。

狭帯域フィルター34の出力は全波整流器36へと入力され
る。この全波整流器の機能は455キロヘルツの基礎周波
数の正弦波を全波整流信号に変換することであり、整流
された信号はローパスフィルターであるインテグレータ
38に入力される。インテグレータ38は入力された信号を
適当な時間だけ積分するローパスフィルターとして機能
する。換言すれば、インテグレータ38の出力信号は０ボ
ルトから始まり次第に上昇してある正の電圧に至る信号
であって、この正の電圧の値が焦点の程度を表わしてい
る。

可動ユニット30が、即ちカメラが垂直方向に移動して焦
点位置を通過するとき、焦点位置の両側では検出信号の
振幅は小さい。更に、装置が焦点位置に近づくに従って
この振幅は増大してピークへと達し、カメラが焦点位置
を通過するとこの振幅は減少する。カメラが焦点位置の
一側方から焦点位置を通過して他側へと移動して行くと
きの検出信号の振幅を示すカーブが第３図に示されてい
る。

可動ユニット30の、即ちカメラのＺ軸方向の機械的移動
速度と、コンピュータ内部の電子回路におけるデータの
処理速度、サンプリング速度とにより決定される任意の
位置で、装置は検出信号の振幅の測定を連続的に行な
う。この過程においては、前記インテグレータ38からア
ナログ信号を取り出し、それを８ビットのデジタル数に
変換する。この８ビットデジタル数は、デジタル制御装
置42により制御されるステップゲインアンプリファイア
40を介して、コンピュータに読み取られ、格納され処理
される。カメラの位置を正確に測定するために、例えば
ハイデンハイングラススケール（Heidenhain glass sca
le）のような高精度スケールを有する位置測定機構44が
備えられている。CPU（中央処理装置）46はこの位置測
定機構と協働してA/Dコンバータ48に信号を送出してお
り、このA/Dコンバータは更に前記ステップゲインアン
プリファイア40からも出力を受け、カメラを然るべき各
々の位置におくための適当な出力信号を送出する。

Ｚ軸方向位置の測定のためには、可動ユニット30が、即
ちカメラが移動して各々の然るべき位置にくる度毎に、
前記インテグレータ38の出力信号の値が測定される。Ｚ
軸方向の測定範囲の全域においてこの値が測定されると
き、その測定は第３図に示す如く信号のピーク位置の両
側に亙っており、そのため測定信号値の関数としての測
定値スレショルド値を設定することができる。何故なら
ば、検出信号の振幅値と最大ピーク値との間の関係は試
行により知ることができるからである。前記CPU46はス
レショルド値を超えている測定値を処理してそれらの図
心を取ることにより理論的な最大値を求め、次にこの求
められた理論最大値を、前記位置検出機構44により得ら
れるカメラの実際の位置に対応させ、測定表面位置を表
わす信号を前記A/Dコンバータ48から出力させる。この
信号はまた、測定表面の最良焦点をも表わしている。

この時点において測定表面の位置の測定がなされ、カメ
ラは次に、計算により出力信号が最大になるとされた点
に対応する位置であることが決定された位置へと移動さ
れる。このとき、基板上の対象物のＺ軸の高さを測定す
ることができる。測定値の差である高さ測定は、夫々の
位置で行なわれる。即ち、別々の２つの位置における表
面位置がコンピュータにより読み取られて差がとられ、
その出力がそれら２つの位置の間の高さの差である。

総ての情報は整合フィルターを介して供給されるため、
得られる情報のS/N比は極めて高いものとなっている。

可動ユニット30のカメラからの映像信号がハイパスアン
プリファイア32に入力される理由は以下のとおりであ
る。即ち、映像信号の成分の大部分が低周波数の成分で
あるのに対し、Ｚ軸方向位置測定に関する情報は455キ
ロヘルツに定められており、その周波数においては通
常、表面的特徴に起因する信号エネルギーはそれ程多く
はないのである。

前記ステップゲインアンプリファイア40を具体的にどの
ようなものとするかは、前記A/Dコンバータ48の特性に
より決るものである。

本発明は重要な、そして有用な特徴は、表面的特徴を区
別し、測定のプロセスの中から実質的にその特徴による
影響を除去するための特別な手段を備えたことにある。
その目的とするところは、例えば鏡状の高反射性の部材
や反射性の低いガラス等の、認識可能な表面的特徴を持
たない表面、及び滑らかな若しくは粗い表面仕上げをし
た、規則的な若しくは不規則な表面的特徴を有する表面
を含めた、非常に多様な多種表面について、その検出、
追跡、測定を可能とする装置を供給することにある。

装置の使用に際しては、対象物表面で反射されてセンサ
に飛び込むエネルギーが最大となる点を包含する範囲
を、カメラ系（可動ユニット）が移動する。カメラの移
動方向は装置のいわゆるＸ−Ｙ平面に垂直であるので、
従ってカメラはＺ軸に平行に、即ちＺ軸に沿って移動す
る。カメラが前記範囲を通過して行く過程において、対
象物表面から反射される光のエネルギーは上昇して最大
値になり、次に減少して移動の終了時には任意の値とな
る。移動の全範囲において、反射エネルギーの値は対象
物表面の反射特性に依存している。エネルギーがピーク
値を取るときのＺ軸位置は光学系の設計及び機能により
定まり、光学系のパラメータが選択されてそのデザイン
が確定した後には、エネルギーがピークになるときの移
動系上の基準点と対象物表面との間の距離は、もはや変
化することはない。対象物表面のＺ軸位置を知るための
指標となっているものはエネルギーのピークの位置であ
る。

移動カメラ系から出力される出力信号はフィルターを通
される。フィルターを通す際には、対象物表面に投影さ
れた投影像に起因する信号を最大に保持するとともに、
対象物表面自身の模様や表面の凹凸に因って生じる反射
エネルギーの成分を減衰するようにする。このフィルタ
ーの更なる目的は、任意のノイズを、即ち上記以外の種
類のノイズをも、かなりの程度減衰するように信号の帯
域巾を狭めることである。斯かるフィルターは、それが
所望の信号のみをその他総ての信号に対して最良の方法
で強調するという意味において整合フィルターであると
見なすことができる。ここで言うその他総ての信号は、
性能を劣化させる干渉信号と考えることができる。フィ
ルターを通された信号は次にプロセッサへと入り、そこ
でサンプリングされる。サンプリングは周期的に行なわ
れ、通常はカメラが１面を走査する走査速度で行なわれ
る。また、サンプリングとともにＺ軸方向位置との対応
が行なわれ、これにより測定しようとしている対象物表
面上の点のＺ軸方向高さの測定がなされる。プロセッサ
は更に測定装置のゲインをコントロールするための手段
を含んでおり、これにより測定装置のダイナミックレン
ジを最大限に広げている。特に、この自動ゲインコント
ロール機能により、手動操作することなしに、対象物表
面の非常に広範な反射率範囲に対応することが可能とな
っている。以上により、この測定装置は、対象物表面の
Ｚ軸方向位置を、非常な高精度で、表面的特徴とはむし
ろ無関係に、更には表面反射率の広い範囲に亙って、自
動的に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適実施例に係る測定装置に用いられ
る光学系部分の模式図、第２図は同実施例の装置のブロ
ックダイアグラムであり、特に第１図の光学系から出力
される信号を処理する部分を詳細に示しており、第３図
は同実施例の装置を用いた測定における、カメラの移動
にともなう検出信号の振幅の変化を示すグラフである。 10はテレビジョンカメラ、12はセンサ、14はビームスプ
リットミラー、18′と18″は測定対象物、22は格子、24
は光源、30は可動ユニット、34は狭帯域フィルター、46
はCPU、48はA/Dコンバータである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−96406（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−11803（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビデオカメラと投影手段とを含み、Ｚ軸方
   向に移動自在な可動ユニットを用いて対象物の表面のＺ
   軸方向位置を測定する方法において、 前記投影手段により前記対象物表面上に周期的なパター
   ンを有する所定の映像を投影し、 前記対象物表面上に投影された映像を前記ビデオカメラ
   により監視して該ビデオカメラから出力される電気信号
   を取り出し、該電気信号は前記ビデオカメラの走査速度
   と前記所定の映像の周期性とにより定まる基礎周波数を
   有する基礎周波数信号を含んでおり、 前記電気信号をフィルターに通すことにより該電気信号
   から前記基礎周波数信号を抽出し、 該基礎周波数信号の振幅に基づいて前記可動ユニットと
   前記対象物表面との間のＺ軸方向距離を測定し、 前記監視と前記フィルター処理を、前記可動ユニットを
   Ｚ軸方向に移動しながら行うことにより、前記基礎周波
   数信号を順次取り出し、前記振幅に基づく距離測定の際
   に、前記基礎周波数信号を統計的に計算処理して、前記
   基礎周波数信号の振幅が理論的に最大となるような前記
   可動ユニットの位置を算出する、 ことを特徴とするＺ軸方向位置測定方法。
2. 【請求項２】対象物の表面のＺ軸方向位置を測定する測
   定装置において、 支持構造体と、 前記支持構造体によりＺ軸方向に移動自在に支持された
   可動ユニットと、 前記可動ユニットを移動せしめる駆動手段と、 前記可動ユニットは、所定の映像をＺ軸方向の前記対象
   物表面に投影するための投影手段および前記対象物表面
   上に投影された映像を監視して電気信号を出力するビデ
   オカメラを含み、 前記所定の映像は、周期的なパターンを有し、 前記電気信号は、前記ビデオカメラの走査速度と前記所
   定の映像の周期性とによって定まる基礎周波数信号を含
   んでおり、 前記電気信号から前記基礎周波数信号を抽出するための
   フィルタ手段と、 前記基礎周波数信号の振幅に基づいて前記可動ユニット
   と前記対象物表面との間のＺ軸方向距離を測定するため
   の計算手段と、から成り、 前記駆動手段は、前記ビデオカメラが前記基礎周波数信
   号を順次出力するように前記ビデオカメラによる前記監
   視の間に前記可動ユニットをＺ軸方向に移動させるよう
   構成されており、 前記計算手段は、前記基礎周波数信号を統計的に計算処
   理して前記基礎周波数信号の振幅が理論上最大となる前
   記可動ユニットの位置を算出する、 ことを特徴とするＺ軸方向位置測定装置。
3. 【請求項３】前記投影手段が、前記所定の映像を形成す
   るための格子を備え、該格子が互いに離隔した平行なバ
   ーを含んでなることにより、該所定の映像が複数の等間
   隔に離隔した平行線からなるようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項に記載のＺ軸方向位置測定装
   置。
4. 【請求項４】前記投影手段と前記ビデオカメラとが、該
   ビデオカメラの走査の方向が前記所定の映像の平行線の
   方向に対して直角であるように構成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項に記載のＺ軸方向位置測
   定装置。