JPH0538509U - 光学式寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 走査型の光学式位置測定装置において、特別
な装置等を必要とせず、容易にワーク位置を走査ビーム
の焦点位置に一致させ、高精度にワーク寸法を測定可能
とする。 【構成】 所定の測定領域を平行走査ビームで走査する
と共に、この測定領域を通過した前記走査ビームを受光
素子で受光し、この受光素子で得られたスキャン信号を
所定のスレッショルドレベルで２値化して前記測定領域
に含まれるワークの寸法を測定する光学式寸法測定装置
において、前記スキャン信号を異なる２つのスレッショ
ルドレベルで２値化して２つのワーク幅を測定する２値
化手段と、前記ワークと前記測定領域を形成する測定部
との相対位置を前記ビームの進行方向に変化させる移動
手段と、前記相対位置を変化させながら前記２つのワー
ク幅の差が最小になる最適相対位置を検出する検出手段
とを備え、前記相対位置が前記最適相対位置であるか否
かを表示するか、または前記相対位置を前記最適相対位
置に自動的に調整する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ワーク位置を走査ビームの焦点位置に一致させて高精度にワーク寸 法を測定可能な走査型の光学式寸法測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

レーザビームを平行に走査して測定対象物（ワーク）に照射し、このワークの 後側で検出した走査方向の明暗パターンからワークの寸法を測定する走査型の光 学式寸法測定装置がある。

【０００３】 図７はこの種の光学式寸法測定装置の一例を示す構成図である。この装置は、 光学系を中心とした測定部１００と、処理系を中心とした表示部２００に大別さ れ、それぞれが独立したケースに収容される。 図中、１０はレーザ光源であり、このレーザ光源１０から出力されたレーザビ ーム１２はポリゴンミラー１４で回転走査ビーム１６に変換され、更にｆ−θレ ンズ１８でビーム径を絞った等速度の平行走査ビーム２０に変換される。この平 行走査ビーム２０はポリゴンミラー１４の回転に伴いワーク２２を含む測定領域 を走査するように照射され、集光レンズ２４を通して測定用受光素子２６に入射 する。２８はレーザビーム１２を反射させてポリゴンミラー１４に入射するミラ ー、３０はポリゴンミラー１４を回転させるモータ、３２は回転走査ビーム１６ の有効走査範囲外に配置され、１走査の開始又は終了を検出するリセット用受光 素子である。

【０００４】 測定用受光素子２６の出力はアンプ４８で増幅された後、エッジ検出回路５０ に入力する。このエッジ検出回路５０は、アンプ４８の出力を波形成形してエッ ジ検出を行う。一方、リセット用受光素子３２の出力はリセット回路５２に入力 する。このリセット回路５２はリセット用受光素子３２の出力タイミングを基に リセット信号を発生する。

【０００５】 ゲート回路５６はエッジ検出回路５０から出力されるエッジ信号やリセット回 路５２から出力されるリセット信号のタイミングでオン、オフし、カウンタ５８ はゲート回路５６のオン期間に入力されるクロックを計数して信号間の時間を計 測する。このクロックはクロック発生器５４で発生され、モータ３０の回転同期 にも使用される。６０はこのための同期信号発生器であり、また６２はモータ駆 動回路である。レーザ出力調整回路６４はレーザ光源１０の出力を一定に保つ。 ４０は各種の処理及び制御を行うＣＰＵ、４２はキーボード表示回路、４４は入 出力装置、４６はリードオンリメモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（Ｒ ＡＭ）を含む記憶装置である。

【０００６】 アンプ４８の出力（スキャン信号）は図８に示すように、走査範囲の全体がレ ベルの高い明部となり、その中のワーク部分がレベルの低い暗部となる。但し、 これはワーク２２が遮光体の場合で、これがスリットのように透光体の場合は明 暗関係は逆になる。いずれにしても、この暗部（または明部）の幅からワークの 寸法を計測できる。この原理を実現するため、エッジ検出回路５０はこのスキャ ン信号を所定のスレッショルドレベルで２値化し、エッジ信号に変換する。この とき、暗部が実線のように幅狭で深い（シャープな）場合と、破線のように幅広 で浅い場合とでは、同じスレッショルドレベルで２値化した場合に異なるエッジ 信号が得られる。

【０００７】 一般にワークがビームの焦点位置にあると実線のようにシャープな暗部が得ら れる。これに対し、ワークが焦点位置からずれると破線のようなシャープでない 暗部となる。この様なケースではスキャン信号両端部の傾き（ガウス分布をして いる）が変化すると測定精度が低下する。 この度合いは、図９のようにビームウエストを極端に細く絞ったレーザビーム の場合には顕著である。例えば、直径３ｍｍのレーザビームを焦点距離４５ｍｍ のｆ−θレンズで直径２５μｍに絞った場合、ワークが焦点７０から僅かでも離 れると、ワークに照射されるビーム径が極端に太くなる。このため、ワークがビ ームウエストより細く、例えば直径１０μｍ程度の細線である場合には、破線の ケースでは極端に測定精度が低下する。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

上述したようなケースでは、ビーム焦点とワークとの位置関係が判明すれば、 ワーク位置を焦点位置に一致させる手動操作をしたり、またこれを自動的に行う サーボ系の構成も可能である。但し、このためには、ビーム進行方向の相対的な ワーク位置を正確に測定する必要がある。 この場合、従来から行われているオシロスコープを使用する方法は、その都度 オシロスコープを用意し、また図７に示す測定部１００のカバーを開け閉めしな ければならないので不便である。 また、特殊な光学系を用いてビーム焦点とワーク位置とのズレを測定する方法 もある。しかしながら、この方法は特殊な光学系を用意するため高価になる。

【０００９】 本考案は、このような点を改善し、特別な装置等を必要とせず、容易にワーク 位置を走査ビームの焦点位置に一致させ、高精度にワーク寸法を測定可能とする ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため本考案では、所定の測定領域を平行走査ビームで走査 すると共に、この測定領域を通過した前記走査ビームを受光素子で受光し、この 受光素子で得られたスキャン信号を所定のスレッショルドレベルで２値化して前 記測定領域に含まれるワークの寸法を測定する光学式寸法測定装置において、前 記スキャン信号を異なる２つのスレッショルドレベルで２値化して２つのワーク 幅を測定する２値化手段と、前記ワークと前記測定領域を形成する測定部との相 対位置を前記ビームの進行方向に変化させる移動手段と、前記相対位置を変化さ せながら前記２つのワーク幅の差が最小になる最適相対位置を検出する検出手段 と、前記相対位置が前記最適相対位置であるか否かを表示する表示手段とを備え ることを第１の特徴としている。

【００１１】 本考案では、所定の測定領域を平行走査ビームで走査すると共に、この測定領 域を通過した前記走査ビームを受光素子で受光し、この受光素子で得られたスキ ャン信号を所定のスレッショルドレベルで２値化して前記測定領域に含まれるワ ークの寸法を測定する光学式寸法測定装置において、前記スキャン信号を異なる ２つのスレッショルドレベルで２値化して２つのワーク幅を測定する２値化手段 と、前記ワークと前記測定領域を形成する測定部との相対位置を前記ビームの進 行方向に変化させる移動手段と、前記相対位置を変化させながら前記２つのワー ク幅の差が最小になる最適相対位置を検出する検出手段と、前記相対位置を前記 最適相対位置に自動的に調整する自動位置合わせ手段とを備えることを第２の特 徴としている。

【００１２】

【作用】

図１は本考案の原理説明図である。スキャン信号のワーク部分（暗部または明 部）の波形は上下方向に変化している。そして、図８で説明したように、この上 下方向の変化率はワークがビーム焦点から離れるにつれ大きくなる。従って、図 １のように同じスキャン信号を異なる２つのスレッショルドレベルＳ１，Ｓ２で ２値化した場合、得られる２つのワーク幅Ｄ１，Ｄ２の差ΔＤ＝Ｄ１−Ｄ２は、 ワーク位置がビーム焦点に近いほど小さく、遠ざかるにつれ大きくなるという特 性を示す。

【００１３】 図２の特性図は、ワーク径Ｗとそのワークを照射しているビーム径Ｂとの比Ｗ ／Ｂと、このとき測定されたワーク幅Ｄ１とワーク幅の差ΔＤ＝（Ｄ１−Ｄ２） との比Ｄ１／（Ｄ１−Ｄ２）との間に、所定の相関関係があることを示している 。この相関曲線のパラメータはスレッショルドレベルＳである。従って、スレッ ショルドレベルＳを固定してΔＤを求めれば、その最小値で最小ビーム径、即ち ビーム焦点を探すことができる。この場合、縦軸をＢだけとし、また横軸をΔＤ だけとしても良い。

【００１４】 そこで、測定部またはワークの一方を移動させながらワーク幅の差ΔＤの値を 順次求め、これらの各ΔＤの値をメモリに記憶して表示することにより、その最 小位置（ビーム焦点）へ手動操作で位置合わせできるようにする方法が考えられ る。 必ずしもΔＤの値を表示するのではなく、例えばΔＤの最小位置で緑ランプを 点灯させ、その他の位置では赤ランプを点灯させるようにする手動位置合わせ方 法も考えられる。 ΔＤの測定から最小位置への位置合わせを含む操作を全て自動的に行う方法は 測定者の負担を最も軽くする。

【００１５】 本考案を実施する場合、ワーク幅の差ΔＤと等価なものは全て使用できる。例 えば、ΔＤが０に近づくとき、ワーク幅の比Ｄ１／Ｄ２またはＤ２／Ｄ１はそれ ぞれ逆方向からであるが１に近づく。従って、これらの比を差ΔＤの代わりに使 用することができる。また、図２の比Ｄ１／（Ｄ１−Ｄ２）でも良い。 この他にスレッショルドレベルＳの関数ｆ（ｓ）を用いることもできる。図３ は、図２で説明した比Ｗ／Ｂが、使用するスレッショルドレベルＳとの間に所定 の相関関係を持つことを示している。従って、このスレッショルドレベルの関数 ｆ（ｓ）からビーム径Ｂの最小値、即ちビーム焦点を求めることができる。

【００１６】

【実施例】

以下、図面を参照して本考案の実施例を説明する。 図５は本考案の一実施例に係る光学式寸法測定装置全体の処理を示す概略フロ ーチャートである。このフローは、例えば装置電源投入後にスタートし、先ず最 初のステップＡ１でモード判定を行う。ここでプログラムモードと判定されたら ステップＡ２においてプログラム処理を行う。この処理は、各種の測定条件や測 定方法等を指定したとき、それを取り込んで記憶する内容を含む。 ステップＡ１でプログラムモードでないと判定されたら、ステップＡ３で測定 を行う。これは図７で説明した測定動作を伴う。１回の測定が終了したら、次の ステップＡ４で焦点サーチモードか否かを判定する。Ｎ（ノー）であればステッ プＡ１へ戻るが、Ｙ（イエス）であればステップＡ５で焦点サーチ処理を行う。 この処理は、本考案の方法によりビーム焦点を探すもので、その詳細例を図６で 後述する。１回の焦点サーチ処理を終了したら、ステップＡ６に移り、ここで全 ての焦点サーチ処理を終了したかを判定する。このステップＡ６の判定結果がＮ であればステップＡ５へ戻り、またＹであればステップＡ１へ戻る。

【００１７】 図６は図５のステップＡ５の詳細フローである。この例では自動的に焦点位置 を検索してその位置にワークを自動的に位置合わせする。即ち、最初のステップ Ａ１１では測定部を初期位置にセットする。これは例えば図４（ａ）に示すよう に、測定部１００を左側に送ってワーク２２が測定部の右端部に来るようにする 。この状態ではワーク２２はビーム焦点７０から遠くはなれている。ここでステ ップＡ１２においてビーム焦点７０に対するワーク２２の位置測定を行う。この 位置測定とは、前述したように例えばワーク幅の差ΔＤを求めることである。次 にステップＡ１３において測定部１００を右方向に一定長送り、その状態でワー ク２２の位置測定を行う（ステップＡ１４）。続くステップＡ１５では今回と前 回の位置測定値を比較し、今回が前回より小の時はステップＡ１６でデータＭ_iN をメモリにストアしてから、ステップＡ１３へ戻る。

【００１８】 図４（ａ）の状態から測定部１００を順次右側に送りながら位置測定を行うと 、ビーム焦点７０がワーク２２に接近するにつれ今回の測定値は小さくなる。従 って、ステップＡ１３からステップＡ１６のループを何回も回って最新のデータ Ｍ_iNを更新する動作を繰り返す。 この動作を継続すると、やがてステップＡ１５で今回データが前回データより 大になったと判定される。これは、図４（ｂ）のように、ビーム焦点７０が僅か にワーク２２の位置を通り越した状態である。このときはステップＡ１７で測定 部１００を一定長送った後、次のステップＡ１８では測定部１００を逆方向に一 定長戻す処理を行う。そして、続くステップＡ１９で位置測定を行い、このとき 得られたデータがＭ_iN±α以内か否かをステップ２０で判定する。 このステップＡ２０の判定結果がＮの時はビーム焦点７０がワーク２２に充分 に接近していないと判断し、ステップＡ１８に戻る。これに対し、ステップＡ２ ０の判定結果がＹの時はビーム焦点７０がワーク２２に充分に接近したと判断し 、ステップＡ２１で測定部１００の送りを停止して焦点サーチ処理を終了する。 この位置合わせは厳密には、今回データがＭ_iNに一致したときであるが、微小 値αの範囲内で位置合わせ誤差を許容することにより、この種のループを利用す る位置合わせを容易にする。

【００１９】

【考案の効果】

以上述べたように本考案によれば、走査型の光学式位置測定装置において、特 別な装置等を必要とせずに、容易にワーク位置を走査ビームの焦点位置に一致さ せることができる。このため、ビーム径より細いワークの寸法も高精度に測定す ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の原理説明図である。

【図２】 本考案の特性図である。

【図３】 本考案の他の特性図である。

【図４】 本考案の動作説明図である。

【図５】 本考案の一実施例を示すフローチャートであ
る。

【図６】 本考案の焦点サーチ処理の詳細フローチャー
トである。

【図７】 走査型光学式寸法測定装置の構成図である。

【図８】 ワーク走査信号（スキャン信号）の波形図で
ある。

【図９】 走査ビームの説明図である。

【符号の説明】

１０…レーザ源、１２…レーザビーム、１４…ポリゴン
ミラー、１８…ｆ−θレンズ、２０…平行走査ビーム、
２２…ワーク、２４…受光レンズ、２６…受光素子、４
０…ＣＰＵ、４６…メモリ、５０…エッジ検出部、７０
…ビーム焦点。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の測定領域を平行走査ビームで走査
   すると共に、この測定領域を通過した前記走査ビームを
   受光素子で受光し、この受光素子で得られたスキャン信
   号を所定のスレッショルドレベルで２値化して前記測定
   領域に含まれるワークの寸法を測定する光学式寸法測定
   装置において、 前記スキャン信号を異なる２つのスレッショルドレベル
   で２値化して２つのワーク幅を測定する２値化手段と、 前記ワークと前記測定領域を形成する測定部との相対位
   置を前記ビームの進行方向に変化させる移動手段と、 前記相対位置を変化させながら前記２つのワーク幅の差
   が最小になる最適相対位置を検出する検出手段と、 前記相対位置が前記最適相対位置であるか否かを表示す
   る表示手段とを備えることを特徴とする光学式寸法測定
   装置。
2. 【請求項２】 所定の測定領域を平行走査ビームで走査
   すると共に、この測定領域を通過した前記走査ビームを
   受光素子で受光し、この受光素子で得られたスキャン信
   号を所定のスレッショルドレベルで２値化して前記測定
   領域に含まれるワークの寸法を測定する光学式寸法測定
   装置において、 前記スキャン信号を異なる２つのスレッショルドレベル
   で２値化して２つのワーク幅を測定する２値化手段と、 前記ワークと前記測定領域を形成する測定部との相対位
   置を前記ビームの進行方向に変化させる移動手段と、 前記相対位置を変化させながら前記２つのワーク幅の差
   が最小になる最適相対位置を検出する検出手段と、 前記相対位置を前記最適相対位置に自動的に調整する自
   動位置合わせ手段とを備えることを特徴とする光学式寸
   法測定装置。