JPH0449641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気光学的測定システムに関するもの
で特にその大きさが測定されるべき物体を走査
し、超精密な測定が得られるようレーザ又は光ビ
ームを用いるシステムに関する。

柔かい、こわれやすい、若しくは熱い又は動く
物体の直径や位置又は厚みを正確に測定するに
は、非接触測定システムが用いられる。

この特徴をもつ従来装置としては、容量計器、
うず電流計器、気圧計器、ガンマ及びＸ線計器及
び光学計器がある。ここで光学及び核計器のみが
十分な感度を持つてcmオーダーより大きな距離、
離れて作動できる。核計器は大きな作動距離を可
能にするが、それらは大変費用がかかり、測定さ
れる物体の化学混合物内にわずかな変動による系
統誤差が生じやすい。

光学計器は、光の性質そのものによるいくつか
の長所がある。

主な長所は、 １ 計器と測定される物体間で直接の機械的接触
は必要ではない。

２ 計器から測定される物体までの距離は大きく
てよい。

３ 光の変化は電気信号に直接に変換できる。

４ 応答時間は、光電変換系及び電子回路のそれ
に限定される。

５ 測定は、物体の化学的物質組成によらない。

６ 測定は速い速度で行なわれる。今までの測定
装置より５〜10倍速い。

従来の光学計器は光ビームを走査して物体のエ
ツジ位置を測定し、検出された２つのエツジ間の
時間間隔を測定するためにいろいろな技術を用い
ている。

このような計器は、測定される物体の大きさに
よつて、2.5〜12.5μｍ程度の正確さに応じられて
きた。例えば、1975年９月16日に発行さされ
Petrohilosの米国特許第3905705号公報で、光学
測定装置が開示されていて、それは、２つのエツ
ジパルス間に存在する一定のクロツクパルスの数
をカウントすることにより物体の大きさが測定さ
れることを特徴とする。この装置は、たとえば光
学フアイバーのような直径の小さい物体について
は、もつと正確だけれど、物体の大きさが50mmま
での範囲では、ほぼ12.5〜25μｍの測定精度とな
る。

1979年９月18日に発行されたAltman他の米国
特許第4168126号では、非常に直線的に走査され
た光ビームを発する光学測定装置を開示してい
る。しかしながら、測定される物体の直径が10mm
又はそれ以上のとき、測定中に変動が起きる。

これらの変動は、周波数の逆数型のノイズ特性
をもち平均処理しても弱くならずそれ故、50mmの
物体を測定するときこのシステムの正確度を2.5
〜5μｍ程度に限定する。

本発明の讓受人は、出願人の共働者によつて開
発されたレーザ測定システムを市場に出してい
て、それはPetrohilos及びAltman他が使用して
いる集束ビームのかわりに1975年９月23日発行の
Zanoviの米国特許第3907439号で開示された正確
なエツジ走査技術を使用することにより、系統誤
差を征服するための他の改良点とともに100mm程
度の大きさの物体に関して2.5〜5μｍの正確さが
得られる平行でかつ走査されたビームを用いる。

他の走査ビームシステムでは回転ミラーと正確
な測定、たとえば2.5〜25μｍが得られるためのミ
ラー及び／又は光学レンズに関連して操作するプ
リズムと回折格子で構成されている。

これらの先行技術がある測定には有効な一方、
多くの現場応用において必要な非常に精密な測定
には適していない。たとえば、機械部品製造会社
において、多くの部品は、2.5〜5μｍの公差をも
つ。“計器メーカー”規則では、測定装置は1/10
の精度を必要とし、その精度は、0.25〜0.5μｍで
あることが要求される。

本発明の主目的は、高い精度、50〜100mmの大
きさをもつ相対的に大きな物体でさえも0.12〜
0.5μｍ程度の精度までの測定を遂げるためにレー
ザ又は光ビームの走査を利用する電子光学的シス
テムを提供することにある。

又、本発明の目的は、確実に作動し、比較的低
コストで製造される比較的設計の容易な高精度な
電子光学的測定システムを提供することにある。
これらは、下記の発明の説明で明白になる。

極めて精度の高いレーザ測定装置に関する我我
の開発において、主な偶発誤差の原因−全ての先
行技術システムで起こり、50mmの物体を測定する
とき、せいぜい2.5μｍまで測定精度に限定する−
は温度の変化従つて測定期間中に走査ビームが通
り抜ける空気の屈折率変化でありこの誤差の源は
空気の対流が生じるのを防ぐことすなわち走査ビ
ームにとつて大変狭い遮幣された通路−伝導や放
射により対流にはならず、ほとんどすべての熱伝
導が起こることを保証するための適当な大きさの
通路−を使用することによつて、空気自体の循環
を弱めることにより除去できることを発見した。
この簡単な手段は、すべての先行技術システムの
性能を根本的に改良し誤差を半分以下にする。

更に精度に関するなお一層の改善点としては物
体のエツジに走査ビームの中心が合致したことを
検出するのに系統的誤差を補正することによつて
集束光束を使用した、つまりこの目的のために遅
延等化を使用した遠隔測定システムを備えている
ことだとわかつた。

なお一層の改善策は分割方法つまりエツジの交
差間の時間の精密な分解測定を供給するためのア
ナログ補間法によつて得られる。

我々の完全なシステムは以下の公知エレメント
を含む。すなわち(1)放射エネルギー源、もつと好
ましくは平行光の細い光束を発生させるためのコ
ヒーレントなレーザのエネルギー、(2)細い光束を
均等に回転して走査光束に転換する手段、(3)回転
する走査光束を平行な走査光束に転換する手段、
(4)望ましくは、測定される物体のエツジのごく近
くに該平行走査光束の焦点を合わせる手段、(5)測
定される該物体の該エツジを通る平行走査光束部
を集め、感光する手段、(6)測定される該物体の該
エツジに伴う平行走査光束の合致中心を指示する
信号を発生させるための感光出力を処理する手
段、(7)測定される物体の大きさを示すための該信
号を処理する手段、測定中に回転及び平行な走査
光束が通過するもしくは、対流によつてではない
手段により熱伝導を確かにするため適当な大きさ
の狭い遮幣された通路で、空気の屈折率変化を防
ぐ手段(8)を含む新要素、(9)望ましくは集束、手段
(4)が用いられているとき、走査光路に沿つた測定
板において、光束の太さの変化により物体のエツ
ジに伴う該平行走査光束の合致中心を感知すると
きの系統誤差を実質的に少なくするための遅延等
化手段、(10)望ましくは測定される物体のエツジに
位置する信号のタイミングを測定する±１ナノ秒
程度の高い分解能を供給するためのアナログ補間
手段である。

以下、本発明を詳細に説明する。当該技術は広
範囲な放射源について応用されるが、以下の記載
は光学測定システムに関する例証によりなされて
いる。

ここで用いられる「放射エネルギー」という言
葉はこれに限定されるものではないが、すべての
周波数範囲での電磁エネルギーを含む。

簡易化した従来装置を示す第１図に関して、レ
ーザ２０は一定速度で回転するミラー２４により
偏向される細い光束２２を発生させる。

このミラーは図示された通り多面体であり回転
する走査光束２６を発生する。例えばレンズ２８
のような集束光学系が回転する走査光束２６を平
行で直線的に走査する光束３０に変換し、測定さ
れる物体３２を通過しそれから例えば受光器３６
上に光束の焦点を合わせるレンズ３４のような集
光光学系に導かれる。

測定される物体３２の直径は測定される物体が
光束３０をさえぎる時間の長さに正比例する。

光源２０はタングステン電球、キヤノン灯、発
光ダイオード又は他のエネルギー源でもよいが、
気体レーザーであることが最も望ましい。

受光器３６は真空フオトダイオード、光電子増
倍管、シリコン光電池、PINフオトダイオードが
良い。

光束３０は特に0.1から1.0mmに限定された直径
を持つので、平行走査光束の中心が測定される物
体のエツジを通る時間を正確に指摘することが必
要である。1975年９月23日発行の米国特許第
3907439号でZanoniが開示した技術を使用するこ
とによつて、行なわれるのが望ましい。これは第
６図と第７図に詳細に図示される。

第２図は本発明の電気光学的測定システムの透
視図の概略図である。気体レーザー４０は狭く接
近した平行光束４１のための光学エネルギーを与
える。ミラー４２と４３は光学システム性能を最
も効果をあげて活用する光束形成要素４５を介し
て光束を反射する。発生する光束４６はコリメー
ター５２の光学軸に平行な光束４８となるようミ
ラー４７によつて反射される。光束４８はそれか
ら反射面がコリメーター５２の後側焦点に位置す
る光学的走査装置４９によつて回転して走査され
る。コリメーター５２は回転する走査光束５１を
平行に走査する光束５３に変換する。光学的走査
装置４９はモーター５０によつて回転する。モー
ター５０は光学的走査装置４９に一定の回転を与
える。レーザー光束４８，５１及び５３は光共振
器を介して伝搬するので、空気の屈折率の変化に
よる変動からそれらを防ぐ循環減衰器を通り抜け
る。それによつて測定された寸法的な不確かさを
最小にする。平行に走査される光束５３はそれか
ら、集光素子によつて受光器５７に集められた焦
点を合わせられる。受光器の出力は以下に記載さ
れているように電子光学的に処理される。

電気光学測定システムの性能は、第２図のシス
テムに生ずる熱量を減少させることによつて高め
られる。

光学システムによる熱発生は機構内の温度勾配
や空気の循環の原因になる。温度勾配の効果は空
気の屈折率の変化により、光共振器を変動させる
ために、光束５１，５３の伝搬方向に影響するこ
とにある。不均一な温度勾配は光束の方向を振動
させる空気の屈折率のランダム変動の原因とな
る。

第２図は、このような影響がどのように最小限
度にされるかを示している。レーザー４０は主要
熱源であるため、他の光学コンポの上に置かれ
る。レーザー４０を光学板５９の上部に置くこと
によつて、空気循環（乱れ）が光路内で最小限に
される。他の熱源であるモーター５０は、それが
装着される光学板５９によつて、光路から分離さ
れる。これは熱がこの板に沿つて伝導することに
より温度勾配が減少することを許容する。モータ
ー５０はその電力の最小量を散逸するようにしな
ければならない。光束４１，４４，４８が通過す
るそれぞれの空気の気温の違いは測定に殆んど影
響はない。何故なら速い循環がないとすると、測
定時間は１秒の何分の１なのでゆつくりした気温
変化は誤差を生じないからである。しかしなが
ら、走査光束５１及び５３は、スキヤナ操作中
に、空気中を伝わるので、もし対流が温度の変化
すなわち、これにより生ずる屈折率の変化を伴な
つて起これば、望ましくないランダム誤差が生じ
る。それは、50mmもしくはそれより大きい物体を
測定するのに十分な走査において、せいぜい2.5μ
ｍまでの精度しか与えない大きさであることを発
見した。それ故、走査光束が走査ミラーと測定さ
れる物体間を通過する空気中の循環を誘導する気
温変化を抑制するためにいくつかの手段が必要で
ある。簡単な好ましい手段５８が第３図に示して
ある。

循環減衰器５８は一方ではコリメーター５２と
走査手段４９間に位置し、他方、光学素子５２と
測定される物体５４間に位置する。循環減衰器５
８はいくつかの平行板６１により構成される。光
束５１及び５３は走査ミラー４９及びコリメータ
５２により板６１間を通るようにされる。光束５
３を測定するための第２循環減衰器５８Ａは装置
囲い６３の外に備えつけられる。明らかに光束の
変位が物体から遠ざかつて起これば起こるほど、
誤差が大きくなる。物体に接近したところでは起
こりうる誤差は十分に小さいので遮幣が物体の近
くまであることは重要でない、そして小さな間隙
は許容される。10〜20mm程度の小さな間隙は空気
が循環する空洞が形成されることを防ぐために光
学素子４９，５２及び循環減衰器５８の間にある
ことが望ましい。第２図では循環減衰器５８と走
査手段４９間の間隙がすべての要素の関係を明ら
かに示すために実際の大きさより大きく描かれて
いる。

熱は、伝導、対流、放射によつて空洞６２を介
して伝えられる。第３図の循環減衰器５８は、熱
伝導のこれらの型が空洞６２内で循環流を生じな
いよう主に伝導及び放射によつて伝導される。光
束５１と５３が空洞６２を介して伝搬されるの
で、伝搬方向はランダムに変わらないという意味
だが、一度空洞が熱的つりあいに達すると、小さ
な角度をもつて偏向されそのままとどまる。

それ故、伝導と放射による熱伝達は光共振器６
２を介して高められる。伝導と放射による熱伝達
は、循環減衰器５８の正しい幾何学的関係を選ぶ
ことによつて最小限にできる。放射による熱伝達
は低い反射力をもつ板６１を供給することによつ
て高められる。これは適当な表面処理をされた物
質を使うことによつて行なわれる。第３図に示さ
れた循環減衰器５８は陽極処理された黒いアルミ
ニウムであるが、使用される処理の種類は、エネ
ルギーが放射される波長による。

熱は板６１を介して処理される。光束４８と５
３が板６１間を通るとき、それらが囲いを通り抜
けるのと似ている。伝導による熱伝達は主に間隔
６１が小さいときに起こると分析される。実験や
分析に基づいて、板と板の間隔δ、既知の板の高
さＨ、温度差位△Ｔに関して以下のような等式が
得られた。

δ〔3HTν²／ｇ・pr・△Ｔ〕 ｇは重力加速度で、PrはPrandtl numberで、ν
は粘性係数である。Ｔは上記の数式の数値が求め
られる名目上の温度である。上記の方程式におい
て、いろいろな数のSI単位は、Ｔ，〓；ｇ，ｍ／
sec²；Ｈ，ｍ；ν，m²／sec；δ，ｍである。そ
れ故、温度差位△Ｔが大きくなるにつれて、伝導
の熱伝達をするために板の間隔δは接近する。循
環減衰器５８を仮に使わないとすると、循環及び
測定の不確実性が５倍に増加する。第２図に点線
で示された囲い６３は、いろいろな部品を収納し
ていて周囲の熱変化の影響をさらに最小限にす
る。装置囲いの外の空気循環は例えば装置から物
体５４の間の光束５３に付して測定される寸法的
な不確かさにも影響を及ぼす。これは外に設けた
循環減衰器５８ａによつてほとんど防げる。光束
５１は囲い６３の一部である不図示の光学窓を通
過する。この測定装置の正確さは走査されたレー
ザ又は光束５３によつて物体のエツジがどれだけ
精密に感知されたかによる。以下の記述では、レ
ーザー光束はガウス分布をしていると仮定する
が、その他の分布であつても差支えない。

このシステムでは被測定物の光学的表面上の欠
陥や汚染要因が光束を変調するので、それらが測
定誤差の原因となりうる。

走査レーザー光束の直径は光学表面におけるよ
り測定される物体における方がかなり小さいので
光の焦点を合わせるために光学素子４５を調整す
ることによつてこの誤差の原因は小さくされる。
このようにして走査レーザー光束が焦点を合わせ
られると、第４図でダツシユで示されたように、
鋭い焦点線はわずかにカーブする。仮に物体が、
第４図のようにエツジをＰ１ａ，Ｐ２ａにあるよ
うに置かれると、走査光束はＰ２ａよりＰ１ａに
おいての方が大きくなる。仮に同じ物体が光源か
らわずかに動かされた場合、走査光束は、Ｐ１ｂ
よりＰ２ｂにおける方が大きい。それ故、補償が
必要な場合にはエツジパルス幅に系統的な変化を
与えなくてはならない。走査光束の直径は物体を
通るとき、出力信号の周波数スペクトルの位置を
決定する。仮に電子的な遅延群が対応する周波数
範囲内に一定に保たれれば、物体の測定したサイ
ズは測定域を通るとき変化しない。エツジ検出が
光信号の２次微分のゼロ交差に依り、また走査光
束が正規分布なので電子工学によつて生じる遅延
の解析はかなり簡単である。信号の１次微分関数
はレーザー光束が正規分布をしているので正規分
布をしている。

数学的に示すと、１次微分の形は以下のように
なる。

ｆ(t)＝e^-1/2(t/t1)2 ここでt₁＝ビーム径／４×ビーム速度 (1) 周波数領域において１次微分関数のスペクトル
は、以下に表わされるような（第５ａ図）と同じ
形をしている。

Ｆ（ω）＝e^-1/2(〓^/〓¹⁾ ここでω₁＝１／t₁ (2) 第５ｂ図は、対数軸上のそれを示す。

信号の２次微分関数のスペクトルは以下のよう
になる。

Ｇ（ω）＝ωe^-1/2(〓^/〓¹⁾² (3) このスペクトルは第５ｃ図に示された様にその
尖端がω／ω₁＝１にある。

電子的処理装置は、この周波数において、回路
の遅延群によつて決定された時間の長さによりこ
の信号を遅らせる。電子的処理装置の遅延群は伝
達関数 Ｄ（ω）＝−dθ（ω）／dω (4) の位相の微分により決定される。

第８図は、第６図に示される回路構成を形成す
る前置増幅器と導関数の実行するものである。適
当な遅延等化を与えるために、回路構成部品はま
ず、この出願に適当な利得と周波数レスポンスを
与えるための普通の設計技法を用いて選ばれる。
多くの場合抵抗体−コンデンサ網１０６−１０
７，１２３−１２４，１３３−１３４が演算増幅
器１１１，１２７，１３７を安定させるために必
要とされる。これらのネツトワークのRC時定数
は、演算増幅器１１１，１２７，１３７の支配的
な極と一致するように選ばれるべきである。微分
回路の抵抗器１２２，１３２と誘導子１２１，１
３１は、ω₁に近い周波数範囲内で等間隔な遅延
を供給するためのコンピユータープログラムの援
助をかりて調整される。コンピユーターによる計
算は、第８図に示されている部品のすべての特性
を考察してなされる。

ここで示された信号処理は、Zanoniによつて
提出された米国特許第3907439号と機能的には同
じである。

第６図と第７図に関して集光光学系は、電流を
生じさせる光電変換器５７上へ光を集める。演算
増幅器８１は、この電流を電圧に変換し、ふさわ
しいレベルにまで、増幅する。第７ａ図は、レー
ザー光束が物体を横切つて通過するときの演算増
幅器からの信号出力を示している。この信号（第
７ｂ図）の１次微分関数は、第１微分器８２によ
つて供給される。光信号（第７ｃ図）の２次微分
関数は、第２微分器８３によつて供給される。コ
ンパレーター８４は、２次微分のゼロ交差を感知
し、デジタル出力（第７ｄ図）を発生する。他の
２つのコンパレーター８５，８６は、１次微分が
所望の限界を越えたとき感知し、デジタル出力
（第７ｅ、第７ｆ図）を発生する。光信号の暗か
ら明の転換を示すパルス（第７ｇ図）は、コンパ
レーター８４，８５が正のしきい値以上の１次微
分と、正から負へ変わる２次微分を感知したと
き、AND論理８７によつて発生する。光信号の
明から暗への転換を示すパルス（第７ｈ図）はコ
ンパレーター８４，８６が負のしきい値以下の１
次微分と、負から正に変わる２次微分を感知した
とき、AND論理８８によつて発生する。

物体のエツジを正確に感知することと同じくら
い重要なことは、物体の大きさを計算するための
２つの交差間の時間を測定することである。現在
の技術では約±１ナノ秒の時間分解能をもつた時
間測定が要求される。

この分解能を達成するのに４つの技術がある。

１ 例えば1GHzといつた非常に高い周波数のク
ロツクを使用する。このアプローチは、明白明
瞭な一方、実際には、高周波数によつて導入さ
れる複雑さによりたいへん高いコストが必要と
なる。

２ 遅延路バーニヤが使用される。この装置は３
〜５ナノ秒より小さい分解能にすると経済的で
はない。

３ わずかに異なる周波数をもつ２つの高周波ク
ロツクを用いるHewlett−Packard Journalの
1978年８月号の第２〜11頁にあるような２重の
バーニア補間法も使用される。

４ 測定されるエツジまでの時間軸上で一定の高
さと幅をもつ遅延パルスを積分し、測定するこ
とによるアナログ補間も可能である。

Hewlett Packard Journal、1980年９月号の
第21〜31頁、特に第23頁に示されている４番目の
技術を我々は選んだ。

アナログ補間法では測定される区間は、クロツ
ク周期の積分された数と、補間回路によつて測定
された立上り及び立下り部分での分割されたクロ
ツク周期の数の合計である。アナログ積分器は当
初には普通リセツトされる。

エツジが感知された時、積分器は一定の速度で
積分を始める。エツジが感知された後第２クロツ
クパルスが発生したとき、積分は停止し、保存さ
れた値が直ちに測定される。この装置によつて、
積分時間は、１及び２クロツク周期間になるだろ
う。数多くの誤差があるので、１及び２クロツク
周期の幅をもつた校正パルスを周期的に測定す
る。自己校正をすることにより、ほとんどの誤差
は、抹殺され、測定される時間間隔の長さは以下
のようになる。

ｔ＝Ｎ＋V₁−V₂／Vc₂−Vc₁tc ここでＮ＝edge間のクロツクサイクルの整数 tc＝クロツク周期 V₁＝測定した間隔の開始後の積分器の電圧 V₂＝測定した間隔の終了後の積分器の電圧 Vc₁＝校正パルス１・tc wide後の積分器の電
圧 Vc₂＝校正パルス２・tc wide後の積分器の電
圧 以上、述べてきたが、本発明を要約すれば次の
通りである。

本発明は出力信号を生ずる光電変換器によつて
そのエネルギーが集められ、時間変化感知領域を
決定するために一定かつ連続的な速度で光束の伝
搬方向に垂直な直線上にレーザー又は一般的な光
の光束を正確に移動させることを特徴とする電気
光学的測定システムであつて、被測定物体は、こ
の感知領域に挿入され物体の１つのエツジを光束
が横断することにより、光電変換器の出力信号は
先ず最初のパルスの形で形成され、それから光電
変換器にはエネルギーがなくなる。第２のエツジ
については、そこを光束が横断することによつ
て、エネルギーが光電変換器に復帰させられパル
スがなくなる形で形成される。パルスの幅又は継
続時間は、２つのエツジ間の距離を測定するもの
となる。

例外的な高精度をもつ測定は、空気中の対流の
流れを実質的に除去するために光が通行する光路
に入れた空気対流減衰器によつて得られる。なお
一層の精度改善は、エツジによるパルス幅の変化
の系統誤差を縮少するために、エツジ感知信号処
理において、遅延等化群を使用することにより若
しくは物体のエツジ位置の高分解能測定を得るた
めにアナログ補間法を使用することにより得るこ
とができる。

以上、本発明によれば大きな物体をも高い精度
で測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の走査光束電気光学測定システ
ムの基本型の概略図、第２図は本発明の電気光学
測定システムの遠近（透視画）法による概略図、
第３図は本発明の循環減少器の横断面部分の概略
図、第４図は測定範囲上の点像の大きさにおける
変化を示す図、第５図ａ，ｂ，ｃはエツジ感知信
号の第１及び第２微分のための周波数特性を示す
図、第６図は第２図で示されたシステムの受光器
により発生した信号を処理するための電気回路構
成のブロツク図、第７図は第６図の回路構成の信
号波形の図、第８図は遅延等化を供給するのに使
用される電気回路構成図。 図中４０はレーザ、４５は光束形成要素、４９
は光学的走査装置、５０はモーター、５２はコリ
メータ、５４は被測定物体、５７は受光器、５８
は循環減衰器、５９は光学板、６１は板、６２は
空洞、６３は囲い、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ (1)細い平行光束を発生させる平行光束発生手
   段、(2)該細い光束を順次出射角度変化する走査光
   束に変換する手段、(3)該順次出射角度変化する走
   査光束を平行に走査される平行走査光束に変換す
   る手段、(4)測定される物体のエツジを通過する該
   平行走査光束を集めて光電変換する手段、(5)該エ
   ツジと該平行走査光束の中央とが合致したことを
   示す信号を生じさせるため光電出力を処理する手
   段、(6)該物体の大きさを求めるために該信号を処
   理する手段、(7)前記変換手段(2)と被測定物体間の
   走査光束路における空気の循環を本質的に減少さ
   せるべく前記変換手段(2)と被測定物体の間に前記
   走査光束または平行走査光束が走査される方向に
   広く該走査される方向に垂直な方向には狭い隙間
   を形成する覆い手段を有することを特徴とする電
   気光学的測定システム。