JPH02501958A - 光学測定システムで用いるための焦点検出システム - 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】 光学測定システムで用いるための焦点検出システム技術分野 本発明は、集束する光線の焦点がその光線が照射される表面で合焦状態になると きを検出するための焦点検出回路に関する。

背景技術 光学走査プローブでは、可動対物レンズを用いて半導体レーザからの光線の焦点 を表面に合わせることが知られている０反射した光はプローブの内部で一対のフ ォトダイード検出素子よりなる焦点検出器に再び焦点を合わせ、焦点検出器の出 力は、焦点を上記表面に保持するためのレンズ軌道機構を制御する。このような 設計においては、物体表面め光線の方向における変位がフォトダイオードに照射 する光エネルギーの分量の変化をもたらす、これにより、それ自身をゼロに減じ る方向にレンズを移動させるのに用いられる焦点誤差信号が供給され、この信号 が供給される位置では、光線の焦点が上記表面から離れた位置にある。

上述した軌道機構は以下のような事実によっている。すなわち、平行光源や干渉 光源を用いる場合、レンズから焦点までの距離は常に一定であり、従フて、その 焦点が表面から離れた位置にある光を焦点に合わせるためのレンズの動きは、表 面の動きと等しいということによっている。

また、光学トリガプローブ（例えば１９８６年１０月発行のＯＥＭ　ＤＥＳＴＨ の記事で説明されるプローブ）を提供することも知ら４ており、この光学トリガ プローブは表面に対向してＢ劾することもでき、プローブから発射される光線が 上記表面に焦点を合わせたときに信号を供給するものである。

発明の開示 本発明の目的は、光学トリガプローブと共に用いるのに適した焦点検出システム を提供することにある。

本発明によれば、ハウジングと、光源と、ハウジング内に装着され、焦点をハウ ジング外に合わせられた光線を生成するための焦点装置と、光線が照射される表 面からの反射光を受光するための焦点検出システムとを有し、光源と焦点装置が ハウジング内で固定された関係で装着されていることを特徴とするプローブと、 自身のそれぞれ異なる部位に照射される反射光の量を示す２つの出力を生成する ための検出手段を有する焦点検出システムと、２つの出力を受け、光線が表面に 焦点を合わせるときは値がゼロで、また、光線が表面に焦点を合わせないときは 値がゼロでない焦点誤差信号を生成するために設けられた手段とを具え、焦点検 出システムは、さらに焦点誤差信号のゼロ交差点を検出し、当該ゼロ交差を検出 する毎に出力を生成するためのゼロ交差検出回路を有することを特徴とする光学 測定システムが提供される。

このようなシステムでは、焦点はレンズから常に一定の距離にあり、また、プロ ーブ本体内部でのレンズ位置を正確に知ることができ、かつプローブ位置をプロ ーブが装着される測定機酸のスケールに対して正確に知ることができれば、出力 信号が生成されたときに機械のスケールの読みに注目することによって光線の方 向に沿フた表面の位置を正確に決定することができる。

しかしながら、上述した焦点検出システムの使用範囲は、数１０マイクロメータ ーに限られる。この範囲外では焦点誤差信号がゼロになる傾向にあり、表面から の反射光のレベルが低いかまたｉｔゼロのときには、例えばプローブの振動やプ ローブ内の迷光によるシステムのノイズによって多数のゼロ交差を生じることも ある。この結果、使用範囲の外側で動作しているときにゼロ交差検出回路が多く の誤ったトリガ信号を供給することがある。

上述したような焦点検出システムと共に用いるプローブは、その表面の位置がプ ローブの使用範囲内にある場合に加工物の形や表面の詳細におけるわずかな変化 を検出するために用いることができる。

このようなプローブを、プローブがある距離だけ離れた位置から表面へ向かって 駆動されたり、また、焦点検出システムの通常の動作範囲外で駆動される座標測 定機紙と共に用いるようにするために、焦点検出システムから生成されるトリガ 信号のどれが誤りでどれが真正のものであるかを決定する必要がある。

本発明の特徴によれば、焦点検出システムは、検出素子に照射する反射光の強度 を定め検出素子によって受け取られた反射光の強度が所定のレベルより大きいと きのみ有効信号を生成し、これによって真正の検出信号が生じたことを示す適正 化回路を有する。

これにより、誤りたトリガ信号を取除くことができ、機械に渡されるトリガ信号 のみが有効信号に伴うトリガ信号となる。

本発明の好適実施例において、適正化回路は、焦点検出回路によって受け取られ る反射光の強度と、反射光の分量を定める。

図面の簡単な説明 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。ここで、 第１図は本発明による光学トリガプローブの構成部品を概略的に示す図である。

第２図は光線の焦点が表面を通過するのに応じて第１図に示したプローブの検出 器が生成する焦点誤差信号の形状を示す図である。

第３図は第１図に示したプローブと共に用いるのに適切な回路の一実施例を示す 図である。

適切な回路の他の実施例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図および第２図を参照するに、その内部に光源４、ビームスプリッタ８およ び固定焦点レンズシステム１０を取付けたハウジング２を有するプローブが示さ れる。光源４は、例えばレーザーダイオードであり、通常知られた型のビームス プリッタ８にその方向が向けられた光線６を生成する。少なくとも光線の一部は ビームスプリッタを通ってレンズシステム１０に伝達され、レンズシステムｌＯ はプローブから距離ｄの位置にこの光線の焦点を定める。距ｌＩｄはプローブと 加工物１２との間の距離であり、プローブはこの加工物上で測定動作を行う。

ビームスプリッタ８は、ハウジング内に取付けられ参照符号１３で示される焦点 検出システムの一部を構成する。焦点検出システムは、他にプリズム１４と２対 のフォトダイオード検出素子１６．１８とを具え、各々の対の検出素子Ａ、Ｂお よびＣ，Ｄはそれぞれ間隔５１およびＳ２によって隔てられている。ビームスプ リッタ８は傾斜面９を有し、傾斜面９は光源からの光線をレンズシステム１０へ 伝達すると共に、表面１２から反射して来た光をフォトダイオード対１６および １８へ向けて直角に反射する。ビームスプリッタからの反射光はプリズム１４を 通過して、フォトダイオード対に向かう２つの光線に分光される。第１図には合 焦状態における光線の線図が概略的に示される。

光線６が表面１２に焦点を合、わせるときには、反射光は、それぞれ、の対のフ ォトダイオードの間隔Ｓ１およびＳ２にその焦点が合うように構成されている。

このような合焦状態においては、プリズムによフて間隔５１およびＳ２に形成さ れる光の点が、これら両方の間隔の両側で等しく２つの検出素子Ａ、ＢおよびＣ ，Ｄの縁に重なるように構成されている０表面１２とプローブが相対的に移動し たときには、光線の焦点位置は表面１２の上方または下方へ移動し、プリズム１ ４から放たれる２つの光線はその広がりがより大きくまたは小さくなる。

これにより、２つの光線によってフォトダイオード対の上に形成される光の点が それぞれ外側の２つの検出素子ＡおよびＤの方向へ移動するか、または内側の２ つの検出素子ＢおよびＣの方向へ移動する。この結果、外側の２つの検出素子Ａ およびＤで受け取られる光の量は増加または減少し、これに伴って内側の２つの 検出素子ＢおよびＣで受け取られる光の量はそれぞれ減少または増加する。

内側の２つの検出素子ＢおよびＣの出力は加算接続２０に連結し、外側の２つの 検出素子ＡおよびＤの出力は加算接続２１に連結する。２つの加算接続２０およ び２１の出力は、さらに接続２２においてこれら出力の差がとられ、第２図の曲 線２４で示される形状で出力２３が出力される。第２図で曲線の２つのピーク間 の距１ｉｘは、光線の焦点が上下に移動するときの検出素子における使用範囲を 与え、ピークの振−ｙは焦点誤差信号を与える。ゼロ交差検出回路２５（それ自 体公知）は、検出素子の使用範囲における曲線２４のゼロ点を定めるのに用いら れ、このゼロ点では、外側の検出素子の出力と内側の検出素子の出力との差がゼ ロとなり、このことは光線６の焦点が表面１２に合っていることを示す、ゼロ交 差検出回路はゼロ交差を検出する毎にパルス形態のどカ２６を生成する。

しかしながら、動作中の光学トリガプローブは、表面１２を検出したり測定した りするために種紙上に装着される。それ故、プローブの焦点や光点は検出素子の 使用範囲Ｘの外側に位置する場合もある。これは使用範囲Ｘが表面１２とプロー ブとの間の数ｌＯマイクロメーター程度の相対移動に限られているからである。

プローブと表面との間の相対Ｓ！ＩＩＩによって、表面が光線の焦点から遠ざか った場合には、反射光はより広がり、プリズム１４によって検出素子１６および １８上に形成される光点は急激に大きくなり、かつ雨検出素子を覆うまでにその 強度が弱められてしまい、この結果、接続２２からの差信号がゼロになりやすい ということは理解できることである。検出素子に対する迷光反射の影響を無視す れば、上述したことによって、検出素子Ｉｓ、１８の使用範囲外の点ｘ１または ×２でゼロ交差検出器から誤フたトリガ信号を発生することになる。事実、プロ ーブと加工物との距離によっては、反射光のレベルがゼロで検出器２５からゼロ 交差信号が生じることを確定できなくなる。

このような問題を避けるために、プローブ回路部品に適正化回路が導入され、こ の回路部品は、曲線２４におけるゼロ交差点が検出素子の使用範囲内にあり、ゼ ロ交差に応じて信号を出力するように構成される。

有効な信号を生成する１つの簡単な方法としては、４つの検出素子Ａ、Ｂ、Ｃ， Ｄの全ての出力を加え、最小の予め定められた閾値と比較する方法がある。

有効な信号を生成するための好適な方法が第３図に示される。４つの焦点検出素 子Ａ、Ｂ、、Ｃ，Ｄは、これら検出素子より大きな感光性のガード検出器４０に 装着され、ガード検出器４０は、表面１２が焦点から遠ざかるに従いプリズムに よって生成される光点が大きくなるときに検出素子の周辺に漏れる光によって照 射される。ガード検出器４０は、■で示される適正化回路の一部を構成し、反射 光および検出素子近辺の迷光の強度を示す“ノイズ信号を供給する。

プリズムからの光が検出素子対１６．１８上に２つの鮮明な点を形成する場合に のみ焦点検出システムは正確に動作する。そうでない場合、すなわち、光線６が 表面１２から遠く離れて焦点を合わせる場合、ガード検出器および検出素子対に 照射される反射光は弱くなる。

検出素子対１６．１８からの信号の和とガード検出器からのノイズ信号との比、 すなわち、信号対ノイズ比は検出素子の面積に比例する。

プローブが焦点に近づくに従い、検出素子の全てにわたって広がる照射光の強度 は増加し、また、上述の信号の割合は、プリズムからの２つの光点が検出素子対 １６．１８上で鮮明になり始めるまで一定である。その後、ガード検出器からの 出力は検出素子対からの出力が増加するのに対して減少し始める。閾値としての 比を、検出素子対１６．１８がその使用範囲内にあるレベルに設定することがで き、このレベルに達したとき有効な信号が生成される。従って有効な信号の区間 で発生するゼロ交差信号のみが真のプローブトリガ信号として機械へ転送される 。

レーキをかけて表面１２へ向かうプローブのそれ以上の動きを停止する。ブレー キは離間距ｇｉｌｄ内でなされなければならない。

第３図において、適正化回路Ｖの他の部分が分割器４２を含むものとして示され 、分割器４２はガード検出器からの入力Ｇと、４つの焦点検出素子Ａ、Ｂ、Ｃお よびＤの合計を示す加算接続４４からの入力Ｆとを受け取る０分割器は入力Ｆ： Ｇの比に等しい出力ＶＲを供給する０分割器の出力ＶＲはコンパレータ４６に渡 される。′コンパレータ４６は基準電圧Ｖ□ｆ１　をも受け取り、この基準電圧 Ｖｒｅｆｌ　は閾値な与える。これによりコンパレータ４６は比Ｆ：Ｇが閾値以 上のとき有効信号ＳＶを出力する。

上述したように、適正化回路からの信号Ｓｖとゼロ交差検出器からの信号２６は 、正に調整されてアンドゲート４８に渡される。これにより、アンドゲート４８ は信号Ｓｖと信号２６が同時に存在するときのみ有効なトリガ信号を生成する。

しかしながら、プローブが加工物の面前から完全に離れたときには、検出素子１ ６．１８によりて受け取られる反射光がなくなる。このような環境では、検出素 子１６．１８やガード検出器上に照射する迷光は未確定なものであり、また、こ のような迷光は閾値よりも大きな対ノイズ比の信号を供給するようなこともあり 得る。

このような問題を未然に防止するため種々の変形をなすことが可能である。１つ の変形例が纂３図の破線で示される。すなわち、コンパレータ５０がさらに設け られ、このコンパレータ５０には加算接続４４か−１らの信号Ｆとさらに設けら れる基準電圧νｔｅｒｆ２が接続する。コンパレータ５０は信号Ｆの電圧■１１ ２に対する比が予め定めた閾値よりも大きいときに信号５２を出力する。この閾 値はノイズ信号の量を越えて検出素子１６．１８からの正信号が受け取られたこ とを示すものである。出力信号５２はアンドゲート４８へ３番目の入力として渡 され、検出器２５からの信号が真の信号であることをさらに確証するものである 。

上述した変形例に代って、信号ＦおよびＧの各々にバイアス信号を付加してもよ く、この信号は予期されるノイズレベルより大きいものである。バイアス信号の 割合は、加工物表面からの反射光がない場合にこのバイアス信号にどのようなノ イズ信号を付加しても、比Ｆ：Ｇの値が閾値を越えないような割合である。バイ アス信°号はプローブの外部で生成されてもよく、あるいは検出素子上へ反射さ れる光源４からの迷光の量から得てもよい、この迷光はガード検出器および検出 素子１６．１８にこれらの面積の比に応じて影響を及ぼす。

第４図は有効信号を生成する他の方法を示す、ビームスプリッタ３０がさらに表 面からの反射光の光路中に設けられる。このビームスプリッタは、反射光のその 割合が既知である一部をビーム３１中の第２検出システムの方向へ偏向する一方 で残りをビームスプリッタ８へ伝達する。第２検出システムは適正化回路Ｖの一 部を構成するものであり、１つのフォトダイオード検出素子３２から成る。この 検出素子３２は、ビームスプリッタ３０からの光線３１における全ての光を受け 取るよう構力３４はコンパレータ３８において基準電圧３６と比較され、コンパ レータの出力３９は、出力３４が閾値を越えたときを示す有効信号となる。この 有効信号は、検出素子１６．１８上に照射する光の強度がこれら検出素子の使用 範囲内にあることを示すものである。検出素子３２上に照射する光の分量を決定 するため、検出素子３２は望ましくは偏向光線３１の焦点に位置するのがよい。

有効信号３９はゼロ交差検出器の出力２６と共に、ゲート２７へ渡され、ゲート は出力２８を生成する。この出力２８は、それぞれトリガ信号および有効信号を 示す出力２１５および３９が同時に生成されたときにのみ機械へ転送される。ゲ ートは、出力２６および３９が正であれば図ぐ示されるようにアンドゲートとす ることができ、ゼロ交差検出器および適正化回路から正でない他の出力が生成さ れることを要求されるのであればオアゲートあるいはノアゲートとしてもよい。

検出素子に迷光が照射されることが好ましくない場所では、第１図の破線で示し た改良を通用してもよい、このような変形例の場合、光源はレーザーであり、光 線６は偏光光線である。ビームスプリッタ８は偏光ビームスプリッタであり、そ の偏光状態ではビームスプリッタ中を光線が透過可能である。光路中に４分の１ 波長板を設は一表面１２からの反射光線が、４分の１波長板を２回通過した後、 ビームスプリッタの傾斜面９で反射し検出素子へ向かうようにすることもできる 。この変形例は検出素子に到達する光の強度を増加させる。その理由は、光線の うちでビームスプリッタで反射される部分が全くなく、従ってビームスプリッタ からの反射迷光を除去することができ、また、表面１２からの反射光のどの部分 もビームスプリッタを透過してレーザーへ戻ることができないからである。

上述された特別な実施例に対して他に多くの変形をなすことができ、例えば光源 ４は望ましくはコリメートレンズと組合わされ、半銀鏡に到達する前に光線を平 行にすることができる。光源は事実上干渉性の光線を生成するレーザーでもよい 、レンズシステムｌＯは１つの焦点レンズでもよい。

適正化回路の簡略化された形態では、光源はパルス状に発光してもよく、ここで は、検出素子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤによるプローブ内の周囲光のレベルの検出を光 源が“オフ”の間になし、受は取った信号からのこの周囲光の減算を“オン”の 間になすようにする。これにより、真の信号レベルを“オン”期間に得ることが でき、適切な閾値が有効信号を生成させる。

４つのフォトダイオード検出素子Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄは４つの検出素子に分割された 方形のセルに置き換えることもでき、この場合プリズム１４は除去することがで 。

きる、いずれの場合にもプリズム１４は回折格子で代用することができる。

第３図に示す実施例の簡略化された態様では、ガード検出器４０および検出素子 はフォトダイオードアレイの要素群として組合せてもよく、この場合アレイのう ちの４つの要素は検出素子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤとして指定される。また、ゲート ４８．は、システムのエレクトロニクスにおけるハードウェアとして、あるいは 機械のソフトウェアにおけるソフトウェアとしてあってもよい。

プローブが装着される機械は詳細には説明しなかったが、本発明のプローブはど のような座標測定機械でも、あるいは工作機械でさえも共に用いることができる ことが理解されるであろう。

国際調査報告 国際調査報告 ＧＢ　８８００８７２ ＳＡ　２４Ｂ８７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジング（２）と、光源（４）と、前記ハウジング内に装着され、焦点を 前記ハウジング外に合わせられた光線（６）を生成するための焦点装置（１０） と、前記光線が照射される表面からの反射光を受光するための焦点検出システム （１３）とを有し、光源（４）と焦点装置（１０）がハウジング（２）内で固定 された関係で装着されていることを特徴とするプローブと、 自身のそれぞれ異なる部位に照射される前記反射光の量を示す２つの出力を生成 するための検出手段（１６，１８）を有する焦点検出システムと、前記２つの出 力を受け、前記光線が前記表面に焦点を合わせるとぎは値がゼロで、また、前記 光線が前記表面に焦点を合わせないときは値がゼロでない焦点誤差信号を生成す るために設けられた手段（２２）とを具え、前記焦点検出システムは、さらに前 記焦点誤差信号のゼロ交差点を検出し、当該ゼロ交差を検出する毎に出力を生成 するためのゼロ交差検出回路（２５）を有することを特徴とする光学測定システ ム。 ２．前記焦点検出システムは、前記表面で反射された光の光路中に配設され、検 出手段（１６，１８）へ向かう前記光の少なくとも１部を偏向するビームスプリ ッタ（８）を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学測定システ ム ３．前記焦点検出システムは、前記表面で反射された光の強度が所定の最低レベ ルより大きいときのみ有効信号出力を生成するための適正化回路（Ｖ）と、入力 信号として前記ゼロ交差検出回路の出力と前記有効信号出力との双方を受け、前 記入力信号の双方が存在するときのみ出力を生成するために設けられたゲート手 段（２７，４８）とを具えたことを特徴とする請求の範囲第１または第２項に記 載の光学測定システム。 ４．前記適正化回路は、前記表面で反射された光の総強度を示す強度信号を供給 するための手段（３２，４）と、前記強度信号を閾値と比較し、前記強度信号が 前記閾値よりも大きいとき前記有効信号出力を構成する出力を生成するための手 段（３８，４６）とを有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学測 定システム。 ５．前記強度信号を生成するための手段は、さらに、前記表面で反射された光の 光路中に位置し、前記反射光の既知の分量を第２検出システム３２へ偏向するビ ームスプリッタ（３０）を具えたことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光 学測定システム。 ６．前記適正化回路は、検出手段（１６，１８）が装着され、該検出手段の周辺 に漏れる光を受け当該受けた光を示すノイズ信号を生成する感光性ガード検出器 （４０）と、前記検出手段からの検出信号と前記ノイズ信号との比を決定するた めの手段（４２）と、当該決定された信号対ノイズ比と閾値とを比較し、前記信 号対ノイズ比が前記閾値を越えたとき前記有効信号出力を構成する出力を供給す る手段（４６）とを有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学測定 システム。 ７．前記２つの検出手段の出力の和（Ｆ）と閾値とを比較し、前記検出手段の出 力の和が前記閾値を越えたときのみ出力を生成するコンパレータ（５０）をさら に設け、該コンパレータ（５０）の出力は第３の入力信号として前記ブート手段 （４０）へ渡され、該ゲート手段は３つの入力全てが存在するときのみ出力を生 成することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の光学測定システム。 ８．前記光源はレーザー光線発振器であることを特徴とする請求の範囲第１項な いし第７項のいずれかに記載の光学測定システム。 ９．前記レーザー光線発振器にようて生成されるレーザー光線（６）は１つの平 面に偏光され、前記ビームスプリッタ（８）は前記レーザー光線を透過させるよ うな偏光状態の偏光ビームスプリッタであり、４分の１波長板（１１）が前記ビ ームスプリッタ（８）と前記表面（１２）との間に配置され、これにより、光線 （６）は、前記表面（１２）からの反射光として戻る前に前記４分の１波長板を ２回通過して前記鼓初の偏光面に対して直交する平面に偏光され前記ビームスプ リッタにおいて前記検出素子の方向へ反射されることを特徴とする請求の範囲第 ８項に記載の光学測定システム。