JPS60224001A - 微小寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＶ−ザを光源とし、音響光学効果素子を用いた
微小寸法の測定装置に関するものである。

〔従来技術と問題点〕

近年精密機械産業においては高精度機械加工技術が進歩
し、それにつれて加工物のインプロセスによる非接触寸
法測定の要求も強くなっている。

従来の光学式寸法測定方式の一例のブロック図を第１図
に示す。

１はレーザ光線、２は対物レンズ、６は寸法を測る被測
定物体、４は物体６を移動させる移動ステージ、５及び
６は光検出器である。

レーザ光線１が被測定物体面６の平坦な部分に照射され
ているときは、反射光は入射光と逆向きに反射され、検
出器５及び６には光が入ってこないが物体６のエッヂに
おいては斜め方向にも反射され、この散乱光を検出器５
及び６で検出し、その検出光量のピーク位置をエッヂと
し、ステージ４の移動距離から寸法を測定する。

この様な従来の方法はエッヂ検出に検出光量の絶対値の
変化を用いているため、物体表面に付着しているゴミあ
るいはキズによる光量変化の影響を受けやすい、あるい
はエッヂ検出に２つの検出器５．６を用いること及び同
じエッヂ状態で検出するために２つの検出器５．６の位
置関係の制約があること、さらには寸法の算出に機械的
なステージ移動量を用いるために移動量の精密測定が必
要であること等の種々の問題点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は前述欠点を解消し、音響光学効果素子（
以下にＡ−０と略す）の光偏向作用を利用し、寸法測定
する被測定物体面からの反射光あるいは透過光の光量変
化データを解析的な方法により演算し、光偏向に要した
電圧値の変化から寸法を高精度に測定する微小寸法測定
装置を提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は音響光学効果素子（Ａ−０）の光偏向について
、その動作原理を示す一般的なブロック図である。

１０はＡ・０．１１はＡ・０ドライバー、１２は直流電
圧発生器である。

一般にＡ・０１０は光と超音波の相互作用により光の偏
向を起こさせるものである。

Ａ−０ドライバー１１は電圧制御発振部（ＶＣＯ）と高
周波パワーアンプとから構成され、直流電圧発生器１２
から入力される直流電圧を高周波信号に変換してＡ−０
１０に入力し、Ａ−０１０内部の超音波トランスデー−
サーによりＡ−０１０の内部に超音波進行波を発生させ
る。

例えば直流電圧ＯＶで９０　Ｍ　Ｈｚ、直流電圧１■で
５０ＭＨｚの超音波進行波を発生させる。

Ａ−０１０内部を伝播する超音波進行波は物質中に屈折
率の周期的な変動を起こさせ、とれが光の回折格子とし
ての働きをし、光偏向が起こる。

レーザ光線（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）１６かブラッグ角度θ
８でＡ・０１０に入射したとき一部は光線１４の非回折
光として直進し、他の大部分は偏向される。

光線１６は直流電圧ＯＶ（９０ＭＨｚ）の偏向状態、光
線１５は直流電圧ＩＶ（５０ＭＨｚ）の偏向状態を示す
もので、光線１５と光線１６０間の偏向角θ。は Ｖａ で表わされる。

但し、λはレーザ光線の波長、Δｆ、はＡ・０ドライバ
ー１１から得られる超音波周波数の変化分で、例えば、
９０−５０＝４０ＭＨｚである。

ＶａはＡ−０１０内部を進行する超音波の速度である。

以上の様に直流電圧発生器１２から出力する電圧ｖ１に
応じてＡ−０ドライバー１１のｖＣＯにより周波数ｆ１
なる高周波信号が発生されて、そのときの偏向角に光ビ
ームが偏向される。

第３図に本発明の寸法測定装置のブロック図を示す。

１９はレーザ発振部で例えばＨｅ　−Ｎ　ｅレーザ発振
管を用いる。２０はレーザ発振部１９から放射された光
ビームを偏向走査して被測定物２４に照射するための光
学系で、レーザ発振部１９から放射された光ビームのビ
ーム形状を変換するための第１の光学素子群２１と、該
第１の光学素子群２１から得られる光ビームを入射する
Ａ−０１０と、Ａ・０１０からの出射光ビームのビーム
形状を変換する第２の光学素子群２２と、該第２０光学
素子群２２から得られる光ビームのビーム径を集光する
第３の光学素子群２６から成り立って（・る。

２５は光学系２０の偏向走査の制御を行なう偏向電気制
御系で、Ａ・０１０に光偏向を起こさせる音響光学効果
素子ドライバー１１と、前記光偏向の大きさを制御すべ
く、音響光学効果素子ドライバー１１に供給する直流電
圧信号を発生する直流電圧発生器１２かも成る。

第３の光学素子群２６により数ミクロンメートルの直径
に集光された光ビームを直流電圧発生器１２の出力電圧
により光偏向させて被測定物体面２４に照射し、それか
らの反射光、あるいは透過光の光量変化を光検出器２６
で検出する。第３図の例では反射光の検出を示している
。

２７は光検出器２６により得られた反射光あるいは透過
光の光量変化データを最／ＪＳ二乗法あるし・はチェビ
シェフ多項式等の多項式関数に近似すると共に、該多項
式関数の変化率の最大となる点を演算するデータ処理部
である。

このデータ処理部２７は数値演算処理を行なうと共に光
検出器２６からのデータを自動計測したり、さらには直
流電圧発生器１２の出力電圧の制御、例えばステップ状
に変化する電圧を作成するような制御を行なわせる。

第４図（ａ）は被測定物体２４の第１のエッヂ付近２４
１での光ビームの照射を示す図である。

光ビーム２８がエッヂ部分２４２の斜面側にあれば、入
射された光ビームは図面上で左方へ反射され、光検出器
２６には光が入射しない。光ビーム２９がエッヂ部分２
４２よりも平面部側にあれば入射された光ビームはすべ
て正反射され、光検出器２６には最大光量の光が入射さ
れる。この光検出器２６での光量がＯから最大となるよ
うに光偏向された距離の最小値は光ビームの直径となる
。

従ってエッヂを検出するための光ビームの偏向量は最大
限光ビームの直径に相当する距離で十分である。

第４図（ｂ）は前述の光ビームの直径に相当する量を光
偏向させた場合の反射光強度の様子を示す図である。グ
ラフの横軸は光偏向を起こさせるときに印加した電圧で
ある。

反射光強度は光ビーム２８の位置から光ビーム２９の位
置へ偏向されるとき第４図（ｂ）に示した如く増加する
が、一般には振動の影響、ゴミ、キズ等による光散乱の
影響等によって反射光強度にバラツキが生じるのが普通
であり、この様な測定データをそのまま処理したのでは
エッヂを正確に見い出すことはできない。

第４図（ｃ）は第４図（ｂ）に示した測定データの多項
式関数による近似を表わすグラフである。

一般に被測定物体面２４に照射される集光された光ビー
ムの径方向の強度分布はガウス分布をなしている。従っ
て光偏向させたときの反射光強度は理想的にはガウス分
布を積分したものとなる。実験結果によれば、第４図Ｃ
ｂ）に示した測定データは の形式の多項式関数で精度良（当てはめることができる
。

多項式関数は一般的には最小二乗法ある（・は、チェビ
シェフ多項式が良く使われる方法であるが、実験結果だ
と、上記多項式の展開する次数（ｎ）は、ｎ　＝　３又
はｎ＝４が適当である。この多項式展開を計算する場合
に、明らかにデータ変動の大きい部分は予め測定値をカ
ットして補間値を用も・て計算を行なえばよい。

第４図（ｄ）は前述の如き方法でめた関数値からその変
化率を計算した図である。

前述の如く集光された光ビームの強度分布はガウス分布
を示し、エッヂ部２４２に光ビームの強度の最大点が照
射されたときに、光ビームの積分された形の反射光強一
度の変化率は最大となる。前記変化率は関数の微分によ
って得られ、例えに了Ｙ−ａＯ＋ａｌ’Ｘ　＋　ａ２−
ｘ２＋　８３・Ｘ３で近似された関数を微分すると ｙ””ａ１＋　２ａ２・Ｘ　−４−３ａ３ｘ２で表わさ
れるから、第４図（ｄ）に示すような２次関数の変化率
曲線が得られ、その最大値の点が反射光量の変化率最大
となる点、即ちエッヂ部である。以上は一方の第１のエ
ッヂについての説明であるが、他方の第２のエッヂにお
いても同様である。第２のエッヂにおいては反射光強度
が減少する関数であられされ、例えば展開した多項式関
数の次数ｎが３の場合には、微分された微分曲線の最小
値が変化率の最大となる点、即ちエッヂ部である。以上
の如くしてデータ処理部２７により、多項式関数の変化
率が最大となるような点を与える直流電圧発生器１２の
直流電圧値が２点求められ、その電圧レベルの差が第１
と第２のエッヂ間を光偏向させた偏向電圧となり、前記
電圧ノベルの差が第１と第２のエッヂ間の寸法に対応す
る。

以上の実施例は反射光強度の変化率最大となる点をめる
のに、多項式関数を微分してめる場合について説明した
が、反射光強度を多項式関数に展開したときの強度がＯ
及び最大値の中点の値を変化率最大の点と判断すること
もできる。実験結果によれば前記微分演算結果と前記中
点演算結果は比較的よく一致する。

ある程度ラフな測定精度で良い場合は前記反射光強度の
中点でエッヂを判断し、正確な測定を要する場合は反射
光強度の微分演算からエッヂを判断すれば良い。

微小寸法の測定精度を上げるのにエッヂの判断の精度を
上げると共に、光偏向のりニアリティが良い事が必要で
ある。このリニアリティはＡ・０ドライバー１１の電圧
制御発振器（ＶＣＯ）の精度に関係するが、電子回路の
構成によっては±００１％は十分に可能である。

第５図は第３図における光学系２０の詳細を示す光学系
ブロック図の実施例であり、第５図（ａ）は光線の幅を
示すブロック図、第５図（ｂ）は光線の偏向径路を示す
ブロック図である。

レーザ発振部１９から放射された光ビーム５０は第１の
光学素子群２１に入射される。第１の光学素子群２１は
焦点距離ｆ１を有するシリンドリカルレンズ５１と焦点
距離ｆ２を有する平凸レンズ５２から構成され、レーザ
発振部１９から放射される円形ビーム５０をだ円ビーム
５６に変換する。だ円ビーム５６はＡ・０１０に入射さ
れるカー、Ａ・０１０の偏向効率を上げるために、Ａ・
０１０内部での光と超音波の相互作用時間を長くする必
要から上記の如き超音波の進行方向に長（・幅を持つ光
ビームとする。Ａ・０１０からの出射光のビーム形状を
変換するために平凸レンズ５４及びシリンドリカルレン
ズ５６で構成される第２の光学素子群２２に印加する。

このときビーム形状変換の対称性を保つために平凸レン
ズ５４の焦点距離はｆ２、シリンドリカルレンズ５６の
焦点距離をまｆｌ　とするのが望ましい。ここで入射さ
れる光ビームに対してシリンドリカルンンズ５６０曲率
方向をシリンドリカルレンズ５１の曲率方向と異ならせ
る。即ちシリンドリカルレンズ５６（ま屈折に対して作
用を持たない面に設定する。

なお光学素子群２２は他に偏光ビームスプリッタ−及び
１／４波長板から成る光アイソレータ５５及びシリンド
リカルレンズ５９もふくむ。動作については後述−ｊる
。

被測定物２４の面上を微小なスポット径の光ビームで偏
向走査するために、焦点距離がｆ３なる平凸レンズ５７
及び焦点距離がｆ。なる対物レンズ５８からなる第３の
光学素子群２６を設ける。

直径数ミクロンメートルまで集光された光ビームを被測
定物２４に照射し、その反射光を前述の光アイソレータ
５５で進路を曲げて取り出す。このときの光ビームの形
状はだ円ビームとなり、焦点距離ｆ４なるシリンドリカ
ルレンズ５９で集光し光検出器２６で反射光量を検出す
る。

なお図中で非回折光は省略している。

以上の光学、系により被測定物２４の面上で偏向できる
距離りはＡ・０１０の偏向角及び偏向電気制御系２５に
よって決まる偏向角をθ、としたとき Ｄ−ｆ２・ｆｏ・θＤ／ｆ３　である。

例えば　θＤ＝３．２５ミリラジアン　ｆ　、　＝　１
．０　ｍｍ、ｆ２＝１５０ｍｍ１ｆ３：＝６０ｍｍ、　
ｆ。＝８ｍｍのレンズ系を使用した場合り二６５ミクロ
ンメートルである。

上記りだけ偏向させるときの直流電圧の電圧差をＶ。、
前述の第１と第２のエッヂを判断したときの光偏向に要
した直流電圧のレベル差を■とした場合、測定される物
体のエッヂ間の寸法ｌはｌ二Ｄ　−Ｖ／Ｖ０　で得られ
る。

測定される寸法の精度は主として第１と第２のエッチ付
近を光偏向する直流電圧の増加量で決まる。

例工ば■。＝１ボルト、Ｄ−６５ミクロンメートルのと
き、直流−電圧の増加分が１ｍＶの場合、光偏向される
量は００６５ミクロンメートルである。

従って要求される測定精度を満足する単位電圧の増加で
光偏向を制御すればよい。第６図に光偏向制御をする直
流電圧発生器の出力波形の実施例を示す。

第６図（ａ）は連続スイープで直流電圧を増加させる場
合の波形図、第６図（ｂ）はステップ状に直流電圧を変
化させる場合の波形図である。

第６図（ａ）、（ｂ）において光ビームが第４図（ａ）
に示した如くエッヂ付近にある場合はスイープ波の変化
の小さい、ある（・は細かいステップ電圧で直流電圧を
変化させる。この場合当然の事ながら電圧の値をモニタ
ーしておく必要がある。

予め測定する寸法の大ざっばな値がわがっている場合に
は、第１と第２のエッヂ間の平坦部は細かく測定する必
要はなく、早い速度で第２のエッヂ付近に光偏向すれば
全体の測定時間が短縮されるため、変化の傾きの大きい
、あるいは粗いステ。

プで直流電圧を変化させる。次にまた第２のエッヂ付近
を前述の第１のエッヂ部分と同様に細かい変化で光偏向
を起こさせる。

第７図はＡ・０１０の偏向効率の特性を示す図である。

Ａ・０１０の偏向効率はすべての偏向角で一定ではなく
、図示の如く偏向角の両端近くで効率が低下する。

測定する寸法が偏向効率がほぼ一定であるとみなせる領
域内にあれば、測定される光量変化はそのままエッヂの
光量変化に対応するが、測定する寸法が偏向効率が低下
する領域にあれば、測定される光量変化は偏向効率の低
下の影響もふくんでしまい、前述の反射光強度変化率も
正確な値とは言えな（なる。この様な場合には、偏向効
率データに重み付けをし、その重み付は係数をデータ処
理部２７に予め記憶しておき、仮相的に偏向効率一定の
状態となし反射光強度データに前記重み付は係数を乗じ
て補正してやれば測定精度は向上する。

さらに前述のガウス分布の積分形も、やはりデータ処理
部２７に記憶し、反射光朧データと比較し、ゴミ、キズ
等による光量変化の差が大きいところを補正すれば測定
精度の向上がはかれる。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明による微小寸法測定装置は機械的
な可動部がなく、電気的な制御によって単一の光検出器
で反射光あるいは透過光の数学的なパターン処理によっ
て測定でき、高速、高槓度のオノライン計測に適したも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来用いられている寸法測定装置のブロック図
、第２図は音響光学効果素子の光偏向の動作を示すブロ
ック図、第３図は本発明の実施例を示す微小寸法測定装
置のブロック図、第４図（ａ）はエッヂ付近の光偏向を
示す説明図、第４図（ｂ）、は反射光強度の様子を示す
グラフ、第４図（Ｃ）は多項式関数で表わした反射光強
度変化を示すグラフ、第４図（ｄ）は変化率最大を示す
グラフ。 第５図（ａ）は第３図の光学系の実施例の光線の幅を示
すブロック図、第５図（ｂ）は第３図の光学系の実施例
の光線の径路を示すブロック図、第６図（ａ）は第３図
の直流電圧発生器から連続スイープで出力される直流電
圧を変化させる波形図、第６図（ｂ）は第３図の直流電
圧発生器からステップ状に出力される直流電圧を変化さ
せる波形図。 第７図は音響光学効果素子の偏向効率を示す特性図であ
る。 １０　・・・・音響光学効果素子、１１・・・・・・音
響光学効果素子ドライバー、１２・・・・直流電圧発生
器、１９・・・・・レーザ発振器、２６・・・光検出器
、２７・・・・・データ処理部。 特許出願人　シチズン時計株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振部と、該レーザ発振部から放射される光ビー
   ムのビーム形状を変換する第１の光学素子群と、該第１
   の光学素子群から得られる光ビームを入射する音響光学
   効果素子と、該音響光学効果素子からの出射光ビームの
   ビーム形状を変換する第２の光学素子群と、該第２の光
   学素子群から得られる光ビームのビーム径を集光する第
   ３の光学素子群とから成る光学系と、前記第１の光学素
   子群から得られる光ビームを前記音響光学効果素子によ
   り光偏向を起こさせる音響光学効果素子ドライバーと、
   前記光偏向の大きさを制御すべく前記音響光学効果素子
   ドライバーに供給する直流電圧信号を発生する直流電圧
   レベルから成る偏向電気制御系と、前記第３の光学素子
   群により集光された光ビームを前記直流電圧発生器の゛
   出力電圧により、光偏向させて被測定物体面に照射し、
   該被測定物体面からの反射光あるいは透過光の光量変化
   を検出する光検出器と、該光検出器により得られた光量
   変化データを最小二乗法あるいはチェビシェフ多項式等
   の多項式関数に近似すると共に該多項式関数の変化率の
   最大となる点を演算するデータ処理部を設け、前記被測
   定物体の第１のエッヂと第２のエッヂによる光量変化デ
   ータから演算された前記多項式関数の変化率が最大とな
   る点の前記直流電圧発生器の直流電圧レベルの差から、
   前記第１と第２のエッヂ間の寸法を測定することを特徴
   とする微小寸法測定装置。