(57)【要約】【課題】正確な計測結果を得ることが可能な光学式変位計を提供する。【解決手段】時点ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３において、Ｘ方向における光の走査位置が位置Ｐ１２に一致し、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１ｂの期間、時点ｔ２２ａ〜ｔ２２ｂの期間、時点ｔ２３ａ〜ｔ２３ｂの期間に露光が行われる。この場合、露光の開始時点と終了時点との中間の時点で、投光方向が所定の方向と一致する。すなわち、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１の期間の長さと時点ｔ２１〜ｔ２１ｂの期間の長さとが等しく調整され、時点ｔ２２ａ〜ｔ２２の期間の長さと時点ｔ２２〜ｔ２２ｂの期間の長さとが等しく調整され、時点ｔ２３ａ〜ｔ２３の期間の長さと時点ｔ２３〜ｔ２３ｂの期間の長さとが等しく調整される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する光発生部と、
前記光発生部により発生された光の投光方向を制御することにより対象物の表面に沿って光を走査させる光走査手段と、
対象物からの反射光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系の集光面に配設された複数の画素を有し、対象物までの距離に応じた受光量分布を示す受光信号を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される受光信号に基づいて波形データを生成する波形データ生成部と、
予め定められた複数の投光方向の各々に対応して前記波形データ生成部により生成される波形データのピークレベルが所定範囲内になるように各投光方向での露光時間を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、露光開始時点と露光終了時点との中間時点で前記光走査手段による投光方向が予め定められた方向に一致するように露光開始時点および露光終了時点を制御することを特徴とする光学式変位計。
【請求項２】
前記光発生部と、前記受光素子が所定の角度交差して配置され、
前記受光素子は対象物までの距離に応じて変化する集光スポットの位置に対応した受光量分布を示す受光信号を出力し、
当該受光信号に基づいて前記波形データ生成部により生成される波形データのピーク位置に基づいて、対象物までの距離を測定する三角測距方式であることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
【請求項３】
前記制御手段は、各投光方向での露光開始時点および露光終了時点とは非同期のタイミングで当該投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号が出力されるように前記受光素子を制御することを特徴とする請求項２に記載の光学式変位計。
【請求項４】
前記制御手段は、前記光走査手段による光の各走査において前記光走査手段による光の投光方向が一定周期で前記予め定められた複数の投光方向になるように前記光走査手段を制御するとともに、前記一定周期で各投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号の出力が開始されるように前記受光素子を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の光学式変位計。
【請求項５】
前記制御手段は、各投光方向での露光時に当該投光方向の一つ前の投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号が出力されるように前記受光素子を制御することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の光学式変位計。
【請求項６】
前記制御手段は、前記光走査手段による投光方向毎に前記受光素子の露光時間の設定値に基づいて前記受光素子の露光時間を制御し、前記波形データ生成部により生成される波形データのピークレベルが前記所定範囲内になるように前記光走査手段による投光方向毎に前記露光時間の設定値を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学式変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の断面形状を計測するための光学式変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測距の原理を利用した光学式変位計では、対象物（以下、ワークと呼ぶ）の表面の計測点に光が照射され、その反射光が１次元または２次元に配列された画素を有する受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピーク位置に基づいて計測点の高さを計測することができる。
【０００３】
また、他の光学式変位計としては、投光軸と受光軸を一致させた同軸方式の光学式変位計がある。同軸方式の光学式変位計の代表的な例としては、複屈折結晶とポラライザを介して干渉縞を発生させて、当該干渉縞の縞間隔により測定対象物までの距離を算出する変位計等が挙げられる。
【０００４】
ワークの断面形状を計測する方法としては、光切断方式がある。光切断方式の光学式変位計では、線状の断面を有する帯状の光（以下、帯状光と呼ぶ）がワーク上に照射され、その反射光が２次元の受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布は、増幅器により増幅された後、デジタルの波形データに変換される。この波形データのピーク位置に基づいて、各計測点の高さが検出される。
【０００５】
ところで、ワーク表面からの反射光の受光量は、ワークの表面の反射率により変化する。この受光量の変化により、波形データのピークの高さ（以下、ピークレベルと呼ぶ）が変化する。正確な計測のためには、ピークレベルを一定の範囲内に調整する必要がある。
【０００６】
そこで、ワークに照射する光の発光レベル、受光素子の露光時間および増幅器のゲイン等を制御することによりピークレベルが調整される。ところが、上述した光切断方式では、帯状光の強さが幅方向において均一であるので、ワーク表面の反射率が部位によって大きく異なる場合、適正な受光量が得られないことがある。
【０００７】
例えば、反射率の低い計測点からの受光量を適正にするために全体の受光量が大きくなるように制御すると、反射率の高い部位で受光量が飽和する。一方、反射率の高い計測点からの受光量を適正なレベルにするために帯状光の強さを下げると、反射率の低い部位からの受光量が小さくなり、波形データ上でピークを検出することができなくなる。
【０００８】
そこで、ワークの断面形状を計測する他の方法として、光走査方式がある。光走査方式の光学式変位計では、投光部によりワークの一方向（以下、Ｘ方向と呼ぶ）に光が往復走査される。この場合、Ｘ方向に沿った複数の計測点からの反射光による複数の受光量分布がそれぞれ得られる。各受光量分布は、増幅器により増幅された後、デジタルの波形データに変換される。複数の受光量分布に対応する波形データのピーク位置に基づいてＸ方向に沿った複数の計測点の高さが検出される。それにより、ワークのＸ方向に沿った断面形状を計測することができる。光走査方式の光学式変位計では、計測点毎にピークレベルの調整が可能であるため、ワーク表面の反射率が部位によって大きく異なる場合でも、ワークの全体において正確な計測を行うことができる。
【０００９】
上記の発光レベル、露光時間およびゲインをフィードバック制御することにより、各計測点での計測時にピークレベルを調整することができる。例えば、各計測点での計測時に、前回の計測時の結果に基づいて発光レベル、露光時間およびゲインがフィードバック制御される。
【００１０】
しかしながら、光走査方式の光学式変位系によれば、常に光の照射位置が移動している。そのため、隣り合う計測点間で反射率が大きく異なれば、一方の計測点での計測結果に基づいて他方の計測点での計測時に発光レベル、露光時間およびゲインを制御しても、ピークレベルを適正に調整することができない。
【００１１】
そこで、特許文献１に示すように、複数回の光の往復走査において、現在の走査における複数の測定点に対応するピークレベルに基づいて次の走査における複数の測定点に対応するピークレベルをそれぞれ制御する方式が知られている。この方式によれば、隣り合う計測点間において、反射率に差がある場合でも、各計測点からの反射光のピークレベルを適正に調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第３６１３７０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記の光走査方式の光学式変位計では、受光素子内の電子シャッタにより、受光素子の露光時間を容易に制御することができる。そのため、通常、受光素子の露光時間を制御することにより、ピークレベルが調整される。
【００１４】
しかしながら、高速な計測のためには、光の走査速度を速くする必要がある。その場合、露光時間をわずかに変化させただけでも、各計測点での光の照射範囲が大きく異なることになる。それにより、正確な計測結果を得ることが困難となる。
【００１５】
本発明の目的は、正確な計測結果を得ることが可能な光学式変位計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）本発明に係る光学式変位計は、光を発生する光発生部と、光発生部により発生された光の投光方向を制御することにより対象物の表面に沿って光を走査させる光走査手段と、対象物からの反射光を集光する集光光学系と、集光光学系の集光面に配設された複数の画素を有し、対象物までの距離に応じた受光量分布を示す受光信号を出力する受光素子と、受光素子から出力される受光信号に基づいて波形データを生成する波形データ生成部と、予め定められた複数の投光方向の各々に対応して波形データ生成部により生成される波形データのピークレベルが所定範囲内になるように各投光方向での露光時間を制御する制御手段とを備え、制御手段は、露光開始時点と露光終了時点との中間時点で光走査手段による投光方向が予め定められた方向に一致するように露光開始時点および露光終了時点を制御することものである。
【００１７】
その光学式変位計においては、光発生部により発生された光の投光方向が光走査手段によって制御されることにより、対象物の表面で光が走査される。対象物からの反射光は、集光光学系によって集光されて受光素子に入射する。受光素子により、集光スポットの位置に対応する受光量分布を示す受光信号が出力される。出力された受光信号に基づいて波形データ生成部により波形データが生成される。生成された波形データのピーク位置に基づいて、投光方向における対象物の計測点（光の照射位置）での表面の高さを計測することができる。それにより、対象物の表面の複数の計測点の高さを計測することにより、対象物の断面形状を計測することができる。
【００１８】
波形データは予め定められた複数の投光方向の各々に対応して生成され、その波形データのピークレベルが所定範囲内になるように、各投光方向での露光時間が制御手段により制御される。それにより、波形データのピーク位置を正確に検出することができる。
【００１９】
また、露光開始時点と露光終了時点との中間時点で光走査手段による投光方向が予め定められた方向に一致するように、露光開始時点および露光終了時点が制御される。この場合、光の照射範囲における対象物の表面の高さの平均値が各計測点での計測結果として得られる。その平均値は、露光開始時点と露光終了時点との中間時点において光が照射される部分の高さにほぼ等しい。すなわち、予め定められた複数の投光方向における対象物の計測点での表面の高さが計測結果として得られる。
【００２０】
したがって、露光時間が増減することで各計測点における光の照射範囲が変動しても、予め定められた複数の投光方向における対象物の計測点での表面の高さを正確に計測することができる。
【００２１】
（２）また、本発明に係る光学式変位計は、光発生部と、受光素子が所定の角度交差して配置され、受光素子は対象物までの距離に応じて変化する集光スポットの位置に対応した受光量分布を示す受光信号を出力し、当該受光信号に基づいて波形データ生成部により生成される波形データのピーク位置に基づいて、対象物までの距離を測定する三角測距方式としてもよい。
（３）制御手段は、各投光方向での露光開始時点および露光終了時点とは非同期のタイミングで当該投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号が出力されるように受光素子を制御してもよい。
【００２２】
この場合、受光信号の出力の開始タイミングが、露光開始時点および露光終了時点に影響されない。そのため、露光開始時点および露光終了時点が変化しても、受光信号の出力時間が前後で重複することが防止される。その結果、正確な受光信号が安定に出力される。
【００２３】
（３）制御手段は、光走査手段による光の各走査において光走査手段による光の投光方向が一定周期で予め定められた複数の投光方向になるように光走査手段を制御するとともに、一定周期で各投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号の出力が開始されるように受光素子を制御してもよい。
【００２４】
この場合、一定周期で受光素子からの受光信号の出力が開始されることにより、受光信号の出力時間の重複が確実に防止される。それにより、各投光方向での集光スポットの位置に対応した正確な受光信号がより安定かつ確実に出力される。
【００２５】
（４）制御手段は、各投光方向での露光時に当該投光方向の一つ前の投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号が出力されるように受光素子を制御してもよい。
【００２６】
この場合、各投光方向での露光と当該投光方向の一つ前の投光方向での集光スポットの位置に対応した受光信号の出力とが並列に行われるので、処理の高速化が実現される。
【００２７】
（５）制御手段は、光走査手段による投光方向毎に受光素子の露光時間の設定値に基づいて受光素子の露光時間を制御し、波形データ生成部により生成される波形データのピークレベルが所定範囲内になるように光走査手段による投光方向毎に露光時間の設定値を調整してもよい。
【００２８】
この場合、光走査手段による投光方向毎に受光素子の露光時間がフィードバック制御される。それにより、対象物の表面の反射率にばらつきがあっても、波形データのピークレベルを所定範囲内に確実に調整することができる。
【００２９】
また、露光開始時点と露光終了時点との中間時点で光走査手段による投光方向が予め定められた方向に一致するので、露光時間が増減することで各計測点における光の照射範囲が変動しても、正確に投光方向毎のフィードバック制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、露光時間が増減することで各計測点における光の照射範囲が変動しても、予め定められた複数の投光方向における対象物の計測点での表面の高さを正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施の形態に係る光学式変位計の構成を示すブロック図である。
【図２】光学式変位計によるワークの断面形状の計測方法について説明するための模式図である。
【図３】光学式変位計によるワークの断面形状の計測方法について説明するための模式図である。
【図４】波形データの一例を示す模式図である。
【図５】光の走査と計測タイミングとの関係を示す模式図である。
【図６】ＦＢ制御部によるピークレベル調整処理のフローチャートである。
【図７】受光素子の具体例を示す模式的平面図である。
【図８】共通の投光方向における露光時間Ｔの調整方法について説明するための図である。
【図９】従来の光学式変位計における露光時間と波形データの生成時間との関係を示す図である。
【図１０】本実施の形態における露光時間と波形生成部による波形データの生成時間との関係を示す図である。
【図１１】第２の実施の形態における光学系の構成を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態における受光量分布と周波数‐強度分布の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る光学式変位計について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（１）光学式変位計の構成
図１は、本実施の形態に係る光学式変位計の構成を示すブロック図である。図１に示すように、光学式変位計１００は、投光部１、受光部２、投光制御部３、受光制御部４、波形生成部６、フィードバック制御部（以下、ＦＢ制御部と略記する）７、波形処理部８、プロファイル生成部９、計測処理部１０およびインターフェース部１１を備える。
【００３４】
投光部１は、投光素子２１、投光レンズ２２および走査部２３を含む。投光素子２１は、例えばレーザダイオードを含み、ビーム状の光を発生する。その光は、投光レンズ２２および走査部２３を介して対象物（以下、ワークと呼ぶ）Ｗに照射される。走査部２３は、例えばガルバノスキャナを含み、後述のように、ワークＷの表面で１次元的に光を走査する。
【００３５】
受光部２は、受光素子３１および受光レンズ３２を含む。ワークＷからの反射光は、受光レンズ３２を介して受光素子３１に入射する。受光素子２は例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサを含み、一方向に配列された複数の画素を有する。これにより、複数の画素の配列方向における受光量分布を示すアナログの受光信号が得られる。
【００３６】
投光制御部３は、例えば投光素子２１の駆動電流を調整することにより、投光素子２１が発生する光の強さ（以下、発光レベルと呼ぶ）を制御する。受光制御部４は、後述の露光制御信号により受光素子３１の露光時間を制御する。
【００３７】
なお、ワークＷから受光素子３１への光路を遮断するシャッタを設けてもよい。その場合、シャッタを開閉させることにより受光制御部４の露光時間を制御することができる。また、投光素子２１の発光時間を制御することにより受光素子３１の露光時間を制御してもよい。
【００３８】
波形生成部６は、増幅器およびアナログ／デジタル変換器を含む。受光素子３１により得られる受光信号は、増幅器により増幅された後にアナログ／デジタル変換器によりアナログ／デジタル変換される。これにより、デジタルの波形データが得られる。
【００３９】
ＦＢ制御部７は、波形生成部６により得られる波形データに基づいて、投光制御部３、受光制御部４および波形生成部６をフィードバック制御する。ＦＢ制御部７の制御動作の詳細については後述する。
【００４０】
波形処理部８は、波形生成部６により得られる波形データに基づいて、投光部１からワークＷの表面の各計測点までの距離を示す距離情報を生成する。計測点については後述する。
【００４１】
プロファイル生成部９は、波形処理部７により算出された距離情報に基づいて、ワークＷの断面形状を表すプロファイルデータを生成する。計測処理部１０は、プロファイル生成部９により作成されたプロファイルデータに対する補正処理および計測処理を行う。ここで、計測処理とは、プロファイルデータに基づいてワークＷの表面の任意の部分の寸法を算出する処理である。
【００４２】
インターフェース部１１を通して、波形生成部６により得られる波形データが外部に取り出される。また、インターフェース部１１を通して、ユーザが種々の設定および入力を行う。それにより、ＦＢ制御部７、波形処理部８および計測処理部１０が制御される。
【００４３】
（２）計測方法
図２および図３は、光学式/変位計１００によるワークＷの断面形状の計測方法につい
て説明するための模式図である。図４は、波形データの一例を示す模式図である。なお、図２および図３においては、矢印Ｘ，Ｙ，Ｚで示すように、互いに直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向と定義する。また、図４の波形データにおいては、横軸が画素の配列方向における受光素子３１上の位置に相当し、縦軸が受光量に相当する。
【００４４】
本例では、ワークＷ上の各計測点のＺ方向における位置（高さ）が計測される。ここで、計測点とは、受光素子３１の１回の露光期間に、光が照射されるワークＷ上の部分をいう。
【００４５】
計測時には、受光制御部４（図１）により受光素子３１が露光される。このとき、図２に示すように、投光部１からワークＷ上の計測点Ｐ１に照射された光は、受光レンズ３２を通して受光素子３１に入射する。この場合、点線で示すように、計測点Ｐ１の高さが異なると、受光素子３１への反射光の入射位置がＹ１方向において異なる。それにより、受光素子３１の受光量分布が異なる。
【００４６】
受光素子３１の各画素は、受光レンズ３２による集光面上において、Ｙ１方向に沿って配列されている。ここで、集光面とは、複数の集光点により形成される面をいう。
【００４７】
受光素子３１の受光量分布を示す受光信号は、波形生成部６（図１）により波形データに変換される。図４に示すように、波形データは、画素の配列方向における受光素子３１の受光量分布を示す。そのピーク位置は、計測点Ｐ１の高さに対応し、計測点Ｐ１の高さが変化すると、ピーク位置が変化する。すなわち、波形データのピーク位置に基づいて、計測点Ｐ１の高さを検出することができる。
【００４８】
図３に示すように、投光部１からの光は、走査部２３（図１）によりワークＷの表面でＸ方向に沿って走査される。所定のタイミングで、ワークＷからの反射光により受光素子３１が露光される。
【００４９】
この場合、投光部１からの投光方向に基づいてＸ方向における各計測点の位置が認識されるとともに、受光素子３１の受光量分布に基づいてＺ方向における各計測点の位置（各計測点の高さ）が検出される。それにより、Ｘ−Ｚ平面に沿ったワークＷの断面形状を２次元的に検出することができる。
【００５０】
さらに、連続的または断続的にワークＷをＹ方向に移動させる。Ｙ方向におけるワークＷの断続的な移動は、例えばＸ方向における光の往復走査毎に行う。それにより、ワークＷの表面形状を３次元的に検出することが可能になる。
【００５１】
図５は、光の走査と計測タイミングとの関係を示す模式図である。図５において、横軸は時間を示し、縦軸はＸ方向におけるワークＷ上での光の走査位置を示す。なお、図５において、Ｘ方向における光の走査位置は、投光部１からのＸ−Ｚ平面内での投光方向に対応する。
【００５２】
図５に示すように、光の走査位置は、Ｘ方向に沿って一定の距離を往復移動する。本実施の形態では、各計測時に投光部１からの投光方向が所定の方向と一致するように、一定の周期で計測が行われる。すなわち、図５において、Ｘ方向における光の走査位置が位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３に一致する時点ｔ１１〜ｔ１６，ｔ２１〜ｔ２６，ｔ３１〜ｔ３６において計測が行われる。
【００５３】
なお、ワークＷの表面に凹凸があると、投光方向が共通であってもＸ方向における光の走査位置が異なることがある。そのため、実際には、Ｘ方向において、計測時の光の走査位置が走査毎に僅かに異なることがある。
【００５４】
本実施の形態では、共通の投光方向における前回の計測結果に基づいて、投光制御部３、受光制御部４および波形生成部６のフィードバック制御が行われる。すなわち、図５の例では、時点ｔ１１における計測結果に基づいて時点ｔ１２におけるフィードバック制御が行われ、時点ｔ１２における計測結果に基づいて時点ｔ１３におけるフィードバック制御が行われる。その後、時点ｔ１４〜ｔ１６において、同様にＸ方向における同一位置での前回の計測結果に基づいてフィードバック制御が行われる。
【００５５】
また、時点ｔ２１〜ｔ２６において同様にＸ方向における同一位置での前回の計測結果に基づいてフィードバック制御が行われ、時点ｔ３１〜ｔ３６において同様にＸ方向における同一位置での前回の計測結果に基づいてフィードバック制御が行われる。
【００５６】
（３）制御方法
上記の波形データにおいて、ピーク位置を正確に特定するためには、ピークの高さ（以下、ピークレベルと呼ぶ）が所定の範囲内にあることが望ましい。ピークレベルは、受光素子３１の受光量と波形生成部６の回路ゲイン（波形生成部６内の増幅器の増幅率）との積に比例する。受光素子３１の受光量は、投光素子２１の発光レベルと受光素子３１の露光時間との積に比例する。
【００５７】
本実施の形態では、ＦＢ制御部７が、波形生成部６により得られる波形データに基づいて、投光制御部３、受光制御部４および波形生成部６をフィードバック制御する。
【００５８】
この場合、ＦＢ制御部７が投光制御部３を制御することにより、投光素子２１の発光レベルを制御することができ、受光制御部４を制御することにより、受光素子３１の露光時間を制御することができる。また、ＦＢ制御部７が波形生成部６を制御することにより、波形生成部６の回路ゲインを制御することができる。以下の説明において、投光素子２１の発光レベル、受光素子３１の露光時間、および波形生成部６の回路ゲインをそれぞれ発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧと呼ぶ。
【００５９】
ＦＢ制御部７の制御動作の詳細について説明する。図６は、ＦＢ制御部７によるピークレベル調整処理のフローチャートである。
【００６０】
ここで、ＦＢ制御部７は、予め設定された発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧの値（以下、設定値と呼ぶ）に基づいて、発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧを制御する。この設定値は、計測を行う投光方向毎に設定され、ＦＢ制御部７内の記憶装置に記憶される。すなわち、図５の例では、位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３のそれぞれに対応するように、発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧの設定値が設定される。なお、初期状態においては、各投光方向における発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧの設定値が共通であってもよい。
【００６１】
図６に示すように、まず、ＦＢ制御部７は、波形生成部６により新たな波形データが得られたか否かを判定する（ステップＳ１）。波形データは、計測が行われる毎に更新される。
【００６２】
波形データが得られていない場合、ＦＢ制御部７は、波形データが得られるまで待機する。波形データが得られた場合、ＦＢ制御部７は、波形データのピークレベルを取得する（ステップＳ２）。次に、ＦＢ制御部７は、予め設定された基準値に対するピークレベルの比率を算出する（ステップＳ３）。
【００６３】
次に、ＦＢ制御部７は、算出した比率が予め設定された規定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ４）。算出した比率が規定範囲内にある場合、ＦＢ制御部７は、後述のステップＳ１３の処理に進む。
【００６４】
算出された比率が規定範囲内にない場合、ＦＢ制御部７は、今回の計測時における発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧの設定値を取得する（ステップＳ５）。
【００６５】
次に、ＦＢ制御部７は、発光レベルＰの設定値を調整することによりピークレベルを基準値に調整することが可能か否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、発光レベルＰの設定値の調整可能な範囲は限られているので、取得したピークレベルと基準値との差が大きい場合には、発光レベルＰの設定値を最大限調整しても、ピークレベルを基準値に調整することができない。
【００６６】
発光レベルＰの設定値を調整することによりピークレベルを基準値に調整することが可能である場合、ＦＢ制御部７は、ピークレベルが基準値に一致するように、その投光方向に対応する発光レベルＰの設定値を調整し（ステップＳ７）、後述のステップＳ１３の処理に進む。
【００６７】
一方、発光レベルＰの調整のみではピークレベルを基準値に調整することができない場合、ＦＢ制御部７は、ピークレベルが基準値に近づくように、その投光方向に対応する発光レベルＰの設定値を最大限に調整する（ステップＳ８）。
【００６８】
続いて、ＦＢ制御部７は、回路ゲインＧの設定値を調整することによりピークレベルを基準値に一致させることが可能か否かを判定する（ステップＳ９）。ここで、回路ゲインＧの調整可能な範囲も限られているので、発光レベルＰの調整により調整され得るピークレベルと基準値との差が大きい場合には、回路ゲインＧの設定値を最大限調整しても、ピークレベルを基準値に調整することができない。
【００６９】
回路ゲインＧの設定値を調整することによりピークレベルを基準値に一致させることが可能である場合、ＦＢ制御部７は、ピークレベルが基準値に一致するように、その投光方向に対応する回路ゲインＧの設定値を調整し（ステップＳ７）、後述のステップＳ１３の処理に進む。
【００７０】
一方、回路ゲインＧを調整してもピークレベルを基準値に調整することができない場合、ＦＢ制御部７は、ピークレベルが基準値に近づくように、その投光方向に対応する回路ゲインＧの設定を最大限に調整する（ステップＳ１１）。続いて、ＦＢ制御部７は、ピークレベルが基準値と一致するように、その投光方向に対応する露光時間Ｔの設定値を調整し（ステップＳ１２）、ステップＳ１３の処理に進む。
【００７１】
ステップＳ１３において、ＦＢ制御部７は、次に計測を行う投光方向に対応する設定値に基づいて、発光レベルＰ、露光時間Ｔおよび回路ゲインＧを制御する。ステップＳ１３で用いられる設定値は、その投光方向における前回の計測時において、ステップＳ１〜Ｓ１２の処理により予め調整されている。例えば、図１５の時点ｔ１２での位置Ｐ１１の計測時には、時点ｔ１１での位置Ｐ１１の計測結果に基づいて調整された設定値が用いられる。その後、ＦＢ制御部７は、ステップＳ１の処理に戻る。
【００７２】
このように、本実施の形態においては、露光時間Ｔの設定値の調整に比べて、発光レベルＰの設定値の調整および回路ゲインＧの設定値の調整が優先的に行われる。これにより、露光時間Ｔが計測毎に大きく変動することが抑制される。したがって、各計測時における光の照射位置の移動距離がほぼ一定になる。その結果、正確な計測結果を安定して得ることが可能になる。
【００７３】
また、回路ゲインＧの設定値の調整に比べて、発光レベルＰの設定値の調整が優先的に行われる。それにより、回路ゲインＧの変動も抑制される。そのため、回路ゲインＧを極力低い状態に維持することが可能となる。したがって、波形データの分解能の低下を抑制することができる。その結果、ノイズが多く発生する場合でも、計測の精度を高く維持することができる。
【００７４】
（４）他の制御例
（４−１）
上記の例では、回路ゲインＧの設定値の調整を露光時間Ｔの設定値の調整よりも優先的に行うが、特にノイズが多く発生する場合において、回路ゲインＧの増大による分解能の低下を十分に抑制するために、露光時間Ｔの設定値の調整を回路ゲインＧの設定値の調整よりも優先的に行ってもよい。
【００７５】
（４−２）
回路ゲインＧの設定値の調整範囲を高低の２段階に設け、露光時間Ｔの設定値の調整よりも回路ゲインＧの設定値の低い範囲における調整を優先的に行い、回路ゲインＧの設定値の高い範囲における調整よりも露光時間Ｔの設定値の調整を優先的に行ってもよい。
【００７６】
すなわち、発光レベルＰの設定値を調整してもピークレベルを基準値に調整することができない場合、ＦＢ制御部７は、発光レベルＰを最大限に調整するとともに、回路ゲインＧの設定値を低い範囲で調整することによりピークレベルを基準値に一致させようとする。
【００７７】
発光レベルＰの設定値を最大限に調整しかつ回路ゲインＧの設定値を低い範囲で最大限に調整しても、ピークレベルを基準値に調整することができない場合、ＦＢ制御部７は、回路ゲインＧの設定値を低い範囲で最大限に調整するとともに、露光時間Ｔの設定値を調整することによりピークレベルを基準値に一致させようとする。
【００７８】
露光時間Ｔの設定値を最大限に調整してもピークレベルを基準値に調整することができない場合、ＦＢ制御部７は、露光時間Ｔの設定値を最大限に調整するとともに、ピークレベルが基準値に一致するように、回路ゲインＧの設定値を高い範囲で調整する。
【００７９】
この場合、回路ゲインＧの増大を抑制しつつ露光時間Ｔの変動も抑制することができる。それにより、より確実に高精度な計測を行うことができる。
【００８０】
（４−３）
ピークレベルが所定範囲よりも高い場合には、発光レベルＰの設定値の調整よりも回路ゲインＧの設定値の調整を優先的に行ってもよい。
【００８１】
この場合、ピークレベルが所定値よりも高ければ、まず、回路ゲインＧの設定値が下げられる。そのため、回路ゲインＧの設定値が高い状態で維持されることが防止される。したがって、波形データの分解能の低下をより確実に抑制することができる。
【００８２】
（５）受光素子
ここで、受光素子３１について詳細に説明する。図７は、受光素子３１の具体的な構成を示す模式的平面図である。図７においては、互いに直交するＸ方向およびＹ１方向を定義する。
【００８３】
図７に示すように、受光素子３１は、Ｙ１方向に配列された複数の画素ＰＥおよびシフトレジスタＳＲを有する。各画素ＰＥは、Ｘ方向に長尺状に延びる。各画素ＰＥの幅は例えば２０μｍであり、各画素ＰＥの長さは例えば６．４ｍｍである。また、画素ＰＥの総数は例えば３２０個である。この場合、受光素子３１が略正方形状となる。
【００８４】
図２に示したように、ワークＷ上の計測点Ｐ１の高さ（Ｚ方向における位置）に応じて、計測点Ｐ１における反射光の受光素子３１への入射位置がＹ１方向に沿って変化する。これにより、複数の画素ＰＥによって計測点Ｐ１の高さに応じた受光量分布が得られる。
【００８５】
また、図３に示したように、投光部１からの光はワークＷ上でＸ方向に沿って走査される。これにより、受光素子３１への反射光の入射位置がＸ方向に沿って変化する。したがって、反射光を確実に受光するためには、Ｘ方向において、光の走査による入射位置の変化分、受光素子３１の長さを確保する必要がある。
【００８６】
この場合、複数の画素が２次元に配列されたエリアセンサを用いることが考えられる。しかしながら、エリアセンサを用いた場合には、各画素に対応する情報の読み出しに多大な時間を要する。そのため、迅速に計測を進めることが困難になる。
【００８７】
そこで、本実施の形態では、Ｘ方向に延びる長尺状の複数の画素ＰＥがＹ１方向に並ぶように１次元に配列された受光素子３１を用いることにより、ワークＷからの反射光を確実に受光しながら、高い精度で迅速に計測を進めることが可能になる。
【００８８】
なお、光の走査幅とワークＷの高さの計測範囲との比率に応じて、各画素ＰＥの長さおよび画素ＰＥの個数等を適宜変更してもよい。
【００８９】
各画素ＰＥの長さは、各画素ＰＥの幅の１０倍以上１０００倍以下であることが好ましい。複数の画素ＰＥには、露光制御信号ＥＣＬが与えられる。露光制御信号ＥＣＬにより、露光の開始タイミングおよび終了タイミングが制御される。露光中に各画素ＰＥに蓄積される電荷は、露光の終了と同時にシフトレジスタＳＲに転送される。
【００９０】
シフトレジスタＳＲは、各画素ＰＥから転送された電荷を一時的に格納する。シフトレジスタＳＲには、出力開始信号ＲＰＬが与えられる。出力開始信号ＲＰＬに応答してシフトレジスタＳＲに格納された電荷が受光信号ＲＣＬとして順次出力される。
【００９１】
なお、本実施の形態では、Ｘ方向に延びる長尺状の複数の画素ＰＥが１次元に配列された受光素子を用いたが、２次元に画素が配列された受光素子を用いて、Ｙ１方向と直交する方向における受光信号（電荷）を加算して出力するようにしてもよいことは云うまでもない。
【００９２】
（６）露光時間の調整方法
次に、露光時間Ｔの調整方法について詳細に説明する。図８は、共通の投光方向における露光時間Ｔの調整方法について説明するための図である。ここでは、図５の時点ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３において、露光時間Ｔの設定値をそれぞれ異なる値に調整する場合を説明する。
【００９３】
図８に示すように、時点ｔ２１，ｔ２２，ｔ２３において、Ｘ方向における光の走査位置が位置Ｐ１２に一致する。この場合、時点ｔ２１より前の時点ｔ２１ａから露光が開始され、時点ｔ２１より後の時点ｔ２１ｂに露光が終了する。同様に、時点ｔ２２より前の時点ｔ２２ａから露光が開始され、時点ｔ２２より後の時点ｔ２２ｂに露光が終了する。また、時点ｔ２３より前の時点ｔ２３ａから露光が開始され、時点ｔ２３より後の時点ｔ２３ｂに露光が終了する。以下、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１ｂの期間の長さを露光時間Ｔ１と呼び、時点ｔ２２ａ〜ｔ２２ｂの期間の長さを露光時間Ｔ２と呼び、時点ｔ２３ａ〜ｔ２３ｂの期間の長さを露光時間Ｔ３と呼ぶ。
【００９４】
露光時間Ｔ２は、露光時間Ｔ１よりも大きく、露光時間Ｔ３は、露光時間Ｔ１よりも小さい。
【００９５】
本実施の形態では、露光の開始時点と終了時点との中間の時点（以下、露光中間時点と呼ぶ）で、投光方向（Ｘ方向における光の走査位置）が所定の方向と一致するように、露光の開始時点および終了時点が調整される。すなわち、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１の期間の長さと時点ｔ２１〜ｔ２１ｂの期間の長さとが等しく調整され、時点ｔ２２ａ〜ｔ２２の期間の長さと時点ｔ２２〜ｔ２２ｂの期間の長さとが等しく調整され、時点ｔ２３ａ〜ｔ２３の期間の長さと時点ｔ２３〜ｔ２３ｂの期間の長さとが等しく調整される。
【００９６】
このように、露光中間時点を基準に露光時間Ｔを増減させる。これにより、ワークＷ上における所望の位置での表面の高さを精度良く計測することができる。その理由は、次の通りである。
【００９７】
Ｘ方向における光の走査位置は、時点ｔ２１ａから時点ｔ２１ｂまでの間に位置Ｐ１２ａから位置Ｐ１２ｂまで移動し、時点ｔ２２ａから時点ｔ２２ｂまでの間に位置Ｐ１２ｃから位置Ｐ１２ｄまで移動し、時点ｔ２３ａから時点ｔ２３ｂまでの間に位置Ｐ１２ｅから位置Ｐ１２ｆまで移動する。
【００９８】
この場合、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１ｂの期間における計測結果として、位置Ｐ１２ａから位置Ｐ１２ｂまでの経路における高さの平均値が得られる。同様に、時点ｔ２２ａ〜ｔ２２ｂの期間における計測結果として、位置Ｐ１２ｃから位置Ｐ１２ｄまでの経路における高さの平均値が得られ、時点ｔ２３ａ〜ｔ２３ｂの期間における計測結果として、位置Ｐ１２ｅから位置Ｐ１２ｆまでの経路における高さの平均値が得られる。
【００９９】
ここで、本実施の形態では、位置Ｐ１２ａと位置Ｐ１２ｂとの中間位置、位置Ｐ１２ｃと位置Ｐ１２ｄとの中間位置、および位置Ｐ１２ｅと位置Ｐ１２ｆとの中間位置が、位置Ｐ１２とほぼ一致する。
【０１００】
そのため、例えば位置Ｐ１２ａから位置Ｐ１２ｂまでワークＷの表面が傾斜していても、位置Ｐ１２ａから位置Ｐ１２ｂまでの高さの平均は、位置Ｐ１２の高さとほぼ一致する。すなわち、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１ｂの期間における計測結果として、位置Ｐ１２の高さを得ることができる。同様に、時点ｔ２２ａ〜ｔ２２ｂの期間における計測結果、および時点ｔ２３ａ〜ｔ２３ｂの期間における計測結果として、位置Ｐ１２の高さを得ることができる。それにより、露光時間Ｔが増減しても、計測結果として、所望の位置での表面の高さを安定に得ることができる。
【０１０１】
一方、例えばＸ方向における光の走査位置が所定の位置と一致する時点で露光を開始し、露光の終了時点を前後させることにより露光時間Ｔを増減させる場合、露光の開始時点における光の走査位置と露光の終了時点における光の走査位置との中間位置が、露光時間Ｔの増減に伴い変動する。それにより、所望の位置での表面の高さを安定に得ることができない。
【０１０２】
したがって、露光中間時点を基準に露光時間Ｔを増減させることにより、ワークＷ上における所望の位置での表面の高さを精度良く計測することができる。
【０１０３】
（７）露光時間と出力時間との関係
次に、露光時間Ｔと受光信号の出力時間との関係について説明する。
【０１０４】
従来の受光素子においては、露光の終了タイミングまたは開始タイミングが予め決められており、そのタイミングと同期するように、受光信号の出力時間の制御が行われる。具体的には、露光の終了タイミングが予め決められている場合、露光の終了と同時に受光信号の出力が開始される。また、露光の開始タイミングが予め決められている場合、露光の開始と同時に受光信号の出力が終了するように出力時間が制御される。
【０１０５】
本実施の形態においては、上記のように、露光中間時点で投光方向が所定の方向と一致するように露光の開始タイミングおよび終了タイミングが制御される。そのため、ワークの表面状態に応じて、露光の開始タイミングおよび終了タイミングの両方が変化する。この場合、上述のように露光時間Ｔと受光信号の出力時間とを同期させると、次のような問題が発生する。
【０１０６】
図９は、従来の方法で露光時間および受光信号の出力時間を制御する場合の問題点について説明するための図である。
【０１０７】
図９の例では、時点ｔ５１〜ｔ５２の期間、時点ｔ５３〜ｔ５４の期間、および時点ｔ５５〜ｔ５６の期間に受光素子３１が露光される。露光中に受光素子３１の各画素ＰＥ（図７）に蓄積された電荷は、露光の終了と同時にシフトレジスタＳＲに転送される。各画素ＰＥからシフトレジスタＳＲに電荷が転送された直後に、受光信号ＲＣＬの出力が開始される。
【０１０８】
すなわち、図９の例では、受光素子３１の露光の終了と同時に受光信号ＲＣＬの出力（波形生成部６による受光信号ＲＣＬの読み出し）が開始される。具体的には、時点ｔ５１〜ｔ５２の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が時点ｔ５２から開始され、時点ｔ５３〜ｔ５４の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が時点ｔ５４から開始され、時点ｔ５５〜ｔ５６の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が時点ｔ５６から開始される。
【０１０９】
この場合、露光される各期間の長さ（露光時間Ｔ）によっては、前の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力時間と後の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力時間とが重複することがある。図９の例では、時点ｔ５３〜ｔ５４の期間が比較的長く、時点ｔ５５〜ｔ５６の期間が比較的短い。それにより、時点ｔ５３〜ｔ５４の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力時間と時点ｔ５５〜ｔ５６の期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力時間とが一部重複している。このように出力時間が重複すると、正常な受光信号ＲＣＬを出力することができない。
【０１１０】
そこで、本実施の形態では、出力信号ＲＰＬにより受光信号ＲＣＬの出力の開始タイミングが露光の開始ならびに終了タイミングと別個に制御される。それにより、露光の開始タイミングおよび終了タイミングの両方が変化しても、図９に示すような受光信号ＲＣＬの出力時間の重複が防止される。
【０１１１】
図１０は、本実施の形態における露光時間および受光信号の出力時間の制御方法を示す図である。なお、図１０においては、図５の時点ｔ１１〜ｔ３１における露光時間Ｔと出力時間との関係が示される。
【０１１２】
図１０の例では、時点ｔ１１ａ〜ｔ１１ｂの期間、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１ｂの期間、および時点ｔ３１ａ〜ｔ３１ｂの期間に、受光素子３１が露光される。時点ｔ１１ａと時点ｔ１１ｂとの中間時点が時点ｔ１１であり、時点ｔ２１ａと時点ｔ２１ｂとの中間時点が時点ｔ２１であり、時点ｔ３１ａと時点ｔ３１ｂとの中間時点が時点ｔ３１である。
【０１１３】
また、出力開始信号ＲＰＬにより、受光信号ＲＣＬの出力の開始タイミングが露光の終了タイミングと別個に制御され、一定の周期で受光信号ＲＣＬの出力が開始される。具体的には、時点ｔ１１と時点ｔ２１との中間の時点ｔ１１ｄ、時点ｔ２１と時点ｔ３１との中間の時点ｔ２１ｄ、時点ｔ３１と時点ｔ３２（図５）との中間の時点ｔ３１ｄにおいて受光信号ＲＣＬの出力が開始される。
【０１１４】
この場合、直前の露光時に各画素ＰＥに蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が、次の露光の開始前に開始される。すなわち、時点ｔ１１ａ〜ｔ１１ｂの期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が時点ｔ１１ｄから開始され、時点ｔ２１ａ〜ｔ２１ｂの期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が時点ｔ２１ｄから開始され、時点ｔ３１ａ〜ｔ３１ｂの期間に蓄積された電荷に対応する受光信号ＲＣＬの出力が時点ｔ３１ｄから開始される。
【０１１５】
このように、受光信号ＲＣＬの出力の開始タイミングが露光の開始ならびに終了タイミングと別個に制御されることにより、前後の期間における受光信号ＲＣＬの出力時間が重複することが防止される。また、直前の露光時における受光信号ＲＣＬの読み出しと次の露光とを並列に行うことが可能である。このような並列処理により、処理の高速化が実現される。
【０１１６】
（８）第２の実施の形態
上記第１の実施の形態では、三角測距方式の光学式変位計に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、投光軸と受光軸が一致した同軸方式の光学式変位計にも適用できる。図１１は同軸方式の光学式変位計の例として、ポラライザと複屈折結晶を用いて干渉縞を発生させる原理を用いたレーザ干渉変位計の光学系の基本構成を示す図である。
【０１１７】
レーザダイオード４１から出射された光はハーフミラー４２により反射されて、対物レンズ４８を介して走査ミラー４３により一次元方向に走査される。測定対象物に照射されて拡散反射した光はハーフミラー４２を通過して第１のポラライザ４４を通過し、互いに垂直及び水平な偏光成分の光に分離される。複屈折結晶４５は偏光成分に応じて異なる屈折率を示す結晶である。第１のポラライザ４４を通過した光は複屈折結晶内４５に入射するが、このときの入射角度によって、複屈折結晶４５内を通過する距離が異なる。したがって、それぞれの入射角度によって異なる光の位相遅れが生じる。位相遅れが生じた光は、第２のポラライザ４６を通過して偏光成分が整合され、ＣＣＤ４７上に干渉縞を発生させる。この干渉縞は測定対象物Ｗまでの距離により縞間隔が追従して変化するため、この縞間隔を解析することにより、測定対象物Ｗまでの距離を算出することができる。
【０１１８】
図１２(ａ)はＣＣＤ４７から出力される干渉縞の受光量分布を示す図である。ＣＣＤ４７の露光期間等の光量に関連するパラメータが適切に設定されている場合、図１２（ａ）に示すような受光量分布が得られ、これをデジタル信号として取り込んで周波数解析を実行すると図１２（ｂ）に示すようにある特定の周波数ｆ１で強度がピークとなる波形が得られる。強度がピークとなる周波数ｆ１は測定対象物までの距離に依存して変化するため、この周波数ｆ１を距離に換算して測定対象物までの距離を算出する。
【０１１９】
一方、ＣＣＤ４７の露光期間などの光量に関連するパラメータが適切に設定されていない場合、受光量分布が飽和するか、あるいは十分な受光量が得られないことがある。このような受光量分布により得られた受光波形に対して周波数解析を実行しても強度がピークとなる周波数を特定することはできない。適切な受光量分布を得るためには露光期間などの光量に関連するパラメータを前回と同一の計測点（光の照射方向）で得られた受光量に基づいてフィードバック制御する必要がある。ここで、露光期間を制御すると走査ミラー４３の走査方向に設定された複数の計測点において、光の照射範囲（露光範囲）の中間時点にずれが生じ、これにより走査毎に計測点が変化して正確な計測ができないことになる。そこで、第１の実施の形態同様に各計測点において露光の中間時点が走査毎に同一の照射方向となるように、露光の開始時点と終了時点をそれぞれ増減させることにより、測定対象物Ｗ上における所望の位置での表面高さを精度良く測定することができる。露光期間の制御については第１の実施の形態と同様であるので割愛する。
【０１２０】
（９）他の実施の形態
以上、三角測距方式の光学式変位計と干渉縞を発生させるレーザ干渉変位計を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではない。測定対象物の表面の高さ形状を取得するために、測定対象物の表面に沿って光を繰り返し走査する際に、走査毎に同一の照射方向を計測する別の干渉の原理を用いた光学式変位計等にも本発明は適用可能であることは云うまでもない。また、投光素子２１としては、レーザダイオードに限らず、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の他の素子を用いることもできる。受光素子３１としては、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサ等の素子を適宜用いることができる。走査部２３としては、ガルバノスキャナに限らず、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）、ポリゴンミラー、音叉または他の光学素子等を用いることもできる。
【０１２１】
（１０）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１２２】
上記実施の形態では、投光素子２１が光発生部の例であり、走査部２３が光走査手段の例であり、波形生成部６が波形データ生成部の例であり、ＦＢ制御部７、投光制御部３および受光制御部４が制御手段の例である。
【０１２３】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、対象物の断面形状の計測に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１  投光部
２  受光部
３  投光制御部
４  受光制御部
６  波形生成部
７  ＦＢ制御部
２１  投光素子
２３  走査部
３１  受光素子
１００  光学式変位計
ＰＥ  画素
Ｗ  ワーク
【図１】
2010223950.tif 000003
【図２】
2010223950.tif 000004
【図３】
2010223950.tif 000005
【図４】
2010223950.tif 000006
【図５】
2010223950.tif 000007
【図６】
2010223950.tif 000008
【図７】
2010223950.tif 000009
【図８】
2010223950.tif 000010
【図９】
2010223950.tif 000011
【図１０】
2010223950.tif 000012
【図１１】
2010223950.tif 000013
【図１２】
2010223950.tif 000014