JPS622118A - Ｚ軸方向位置測定方法及び装置 - 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】 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を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０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（Ｌａ層ｂｅｒｔｉａｎｓｕｒ
ｆａｃｅｓ）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１表面的特徴の方向性にも影響を受
は易い、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８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
複雑で価格も嵩〈、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ｌ／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１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
は易いという問題を、克服するものである０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０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精すること
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手分
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
学系を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、Ｍ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
感面に投射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て緩やかに減少する。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（Ｒａｎｃｈｉ　ｒｕｌｉ
ｎｇ）　　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０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０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距離が、センナとこ
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、これにより前記カメ
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ａｒ＆分を有する周期関数
を含むように、しである、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φファンクション（以下ＭＴＦ）　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１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０本発明は、Ｍ
ＴＦ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工尿ル
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Ｉａ山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、更には本発明は焦点という現象
に基づいて作動するものではない。

高岡波数情報を用いて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０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−を
受は易い。

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を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壱が劣化し、
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６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、投光することにより、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、対象物の表面的特徴を「眺め」
で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、
は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０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［口とＳ
／Ｎ比とに関するものである０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
波数帯域中を持たねばならなくなり１周波数帯域［口が
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０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１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
の影響を減少させ、乃至はその影響の犬部分を除去する
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石突に基づいている。即ち、表
面的特徴をセンサが走査した結果書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中だけ
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中は約４０キロヘルツに設定されて
いる。この帯域中は、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［口であり、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中は、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軸に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０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。

センナ（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。フィルターの帯域中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
【口（通常約４メガヘルツ）と比較して帯域の狭い（約
４０＋−ロヘルッ）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
を通過した後に余波整流され（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・デジタル争コンバ
ータによりデジタル形式に変換され、デジタルメモリ、
即ち格納レジスタに格納される。

これらのデジタルイ１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０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、西洋つりかね形
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
の位置と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、は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なる
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
２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１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。従っで
ある意味においては、厚さや１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蔵置台の
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１１置台の測定値の読みを減することによ
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Ｒｏｎｃｈｆ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Ｊる。

ここでデータポイントの西洋つりか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尺対側へと進行して
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。ピークを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２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ｍ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
スブ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ａＷｌ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、ブリ７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。

ビームスブリットミラー１４と対物レンズ１６とを介し
て対象物の表面に焦点を結ぶ０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、一体重に垂
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１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ｌ対ｌであり
、この理由により、装置の倍率に拘らず帯域中の狭い電
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１１Ａ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はビームスプリフタから
対物レンズまでの距離を表わす、以下の式中では、距離
り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１図中のＤｏとＤｏ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＋ｎ）／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、よ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１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０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０以上により１表面の特質や表面上の刻
印、加工跡、目印等に関係なく１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面を走査する通
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＋Ｈ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０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かできる。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４５
５キロヘルツの方形波を含んでいる。カメラの出力はバ
イパスアンブリファイア３２に入力され、このアンブリ
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。バイパスアンブリファイア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、帯域中が
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余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植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Ｏポルトから始まり次第に上昇しである正の電
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ビツトのデジタル数
に変換する。この８ビツトデジタル数は、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ブリファ
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ｒするために１
例えばハイデンハイングラススケール（Ｈｅｉｄｅｎｈ
ａｉｎ　ｇｌａｓＳｓｃａｌｅ）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ブリファイ
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かでさるからである。前記ＣＰＵ
４８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１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
。

可動二二ッ１−３０のカメラからの映像信号がバイパス
アンブリファイア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４
５５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ブリファイア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。

本発明の重要な、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、非常に多様な各種表面について、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１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
域中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信組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。ここで言うその信組ての信号は、
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軸方内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、手動操作をすることなしに、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０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１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。 ｌＯはテレビジョンカメラ、１２はセンサ、１４はビー
ムスブリットミラー、１８°と１８”は測定対象物、２
２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。 特許出願人　ヴイユウ　エンジニアリングインコーホレ
イテッド 代理人　　弁理士　　　下　　１）　容一部間　　　　
弁理士　　　　大　　橋　　邦　　部同　　　弁理士　
　　小　　山　　　　右同　　　弁理士　　　野　　１
）　　　茂２軸７！イ＊１ｌ−ｅ−一一一一一−−・Ｆ
ＩＧ、　３

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （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、 該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軸方向距離を測定する、 以上から成ることを特徴とする、Ｚ軸方向位置測定方法
   。
2. （２）前記監視と前記フィルター処理とを前記可動ユニ
   ットをＺ軸方向に移動させながら行なうことにより前記
   基礎周波数信号を連続的に取り出し、更に前記の振幅に
   基づく距離測定において、連続した前記基礎周波数信号
   を計算処理して、該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、特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）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、 支持構造と、 該支持構造によりＺ軸方向に移動自在に支持された可動
   ユニットと、 該可動ユニットを移動せしめる駆動手段と、該可動ユニ
   ットが、所定の映像をＺ軸方向へ前記対象物表面上へと
   投影するための投影手段と、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と
   を含んで成ることと、 前記所定の映像が周期的なパターンを有することと、 前記電気信号が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いることと、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ることを特徴とする、Ｚ軸方向位置
   測定装置。
4. （４）前記駆動手段が、前記ビデオカメラによる監視が
   行なわれる間前記可動ユニットをＺ軸方向へ移動するよ
   う構成されており、これにより前記ビデオカメラが前記
   基礎周波数信号を連続的に出力し、更に前記計算手段が
   、連続した前記基礎周波数信号を計算処理して、該基礎
   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コンピュータから成ることを
   特徴とする、特許請求の範囲第３項記載の装置。
5. （５）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
   んで成ることにより、該所定の映像が複数の等間隔に離
   隔した平行線から成るようにしたことを特徴とする、特
   許請求の範囲第３項記載の装置。
6. （６）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の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５項記載の装置。