(57)【要約】【課題】倣い測定の際にも、移動手段の応答速度の遅れの影響がなく測定精度の向上が図れるフォーカシングサーボ装置の提供。【解決手段】対物レンズからの反射光の量をそれぞれ検出する複数の受光素子と、受光素子にてそれぞれ検出する反射光の量に基づいて焦点位置からの対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を出力する位置ずれ検出手段２７とを有しかつ倣い測定が可能な撮像ユニット２と、撮像ユニット２をＺ軸に沿って移動させる移動手段１１と、移動手段１１で移動される撮像ユニット２のＺ軸方向の位置実測値を検出する位置検出手段１０と、位置ずれ検出手段２７から出力されるフォーカスエラー信号がゼロとなるように移動手段１１の駆動を制御する制御手段３とを備え、制御手段３は位置検出手段１０で検出される撮像ユニット２の実測値にフォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを測定面に向けて照射するとともに前記測定面から反射する反射光を受ける対物レンズと、この対物レンズからの前記反射光の量をそれぞれ検出する複数の受光素子と、これら複数の受光素子にてそれぞれ検出する前記反射光の量に基づいて焦点位置からの前記対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を出力する位置ずれ検出手段とを含み構成され倣い測定が可能な撮像ユニットと、この撮像ユニットを前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、この移動手段で移動される撮像ユニットの前記光軸方向の位置の実測値を検出する位置検出手段と、前記位置ずれ検出手段から出力されるフォーカスエラー信号がゼロとなるように前記移動手段の駆動を制御する制御手段とを備え、
この制御手段は、前記位置検出手段で検出される撮像ユニットの実測値に、前記フォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値とすることを特徴とするフォーカシングサーボ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフォーカシングサーボ装置を備えたことを特徴とする画像測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の画像測定装置において、
前記対物レンズから出射した光の像を観察する観察光学系を備えたことを特徴とする画像測定装置。
【請求項４】
光ビームを測定面に向けて照射するとともに前記測定面から反射する反射光を対物レンズを介して受光し、この受光した反射光の量を複数の受光素子で検出し、これらの受光素子で検出された反射光の量に基づいて焦点位置からの前記対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を位置ずれ検出手段で検出して焦点位置を認識し、この認識した焦点位置に一致させうように、前記対物レンズ、前記受光素子及び前記位置ずれ検出手段を含む撮像ユニットを移動手段で前記対物レンズの光軸に沿って移動させながら倣い測定を行うためのフォーカシングサーボ方法であって、
前記移動手段で移動される撮像ユニットの前記光軸方向の位置の実測値を位置検出手段で検出するとともに、この検出された実測値に前記フォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値として前記移動手段の応答速度の遅れを補償することを特徴とするフォーカシングサーボ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォーカスエラー信号に基づいて対物レンズを含む撮像ユニットを焦点位置に移動させるフォーカシングサーボ装置、その装置を用いた画像測定装置及びフォーカシングサーボ方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、光学式変位計として、レーザ光の照射により得られた反射光から焦点を検出するフォーカシングサーボ装置を備えた構成が知られている。このフォーカシングサーボ装置としては、例えば、特許文献１等に記載の構成が知られている。
【０００３】
この特許文献１に記載のフォーカシングサーボ装置は、測定面に対して対物レンズを近接離隔させ、この近接離隔により反射光が電気信号に変換されて生成されたＳ字曲線信号いわゆるフォーカスエラー信号の合焦点位置であるゼロクロスポイントを検出する。そして、検出したゼロポイントの位置に、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）の信号出力により移動手段で対物レンズを追従させ、フォーカシングが達成すなわち焦点が合う構成が採られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１０３７１０号公報（段落番号［０００７］及び図１〜図４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のフォーカシングサーボ装置は種々の測定装置に応用される。例えば、対物レンズを含む撮像ユニットを測定面に対してＺ軸に沿って近接離隔する画像測定装置にもフォーカシングサーボ装置を用いることが考えられる。
この場合、特許文献１で示される従来例の構成を撮像ユニットを測定面に対して近接離隔する画像測定装置にそのまま応用すると、対物レンズのみならず撮像ユニット全体を移動手段で近接離隔する構成であるため、移動手段の応答速度が遅れるという課題がある。
【０００６】
特に、ＸＹ平面内で撮像ユニットを移動させながら測定面の表面形状を測定する、いわゆる倣い測定を行う場合では、移動手段の応答速度の遅れが測定精度の低下をもたらすものになる。つまり、画像測定装置での倣い測定においては、測定の応答周波数（Ｚ軸方向）は、Ｚ軸の応答周波数に拘束されるため、周波数の高い測定物を測定した場合には、追従遅れが発生する。
【０００７】
本発明の目的は、倣い測定の際にも、移動手段の応答速度の遅れの影響がないとともに測定精度の向上を図ることができるフォーカシングサーボ装置、画像測定装置及びフォーカシングサーボ方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、倣い測定を行うに際して移動手段における応答速度の遅れを補償して前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、本発明のフォーカシングサーボ装置は、光ビームを測定面に向けて照射するとともに前記測定面から反射する反射光を受ける対物レンズと、この対物レンズからの前記反射光の量をそれぞれ検出する複数の受光素子と、これら複数の受光素子にてそれぞれ検出する前記反射光の量に基づいて焦点位置からの前記対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を出力する位置ずれ検出手段とを含み構成され倣い測定が可能な撮像ユニットと、この撮像ユニットを前記対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、この移動手段で移動される撮像ユニットの前記光軸方向の位置の実測値を検出する位置検出手段と、前記位置ずれ検出手段から出力されるフォーカスエラー信号がゼロとなるように前記移動手段の駆動を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、前記位置検出手段で検出される撮像ユニットの実測値に、前記フォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値とすることを特徴とする。
【０００９】
この発明では、測定面に向けて対物レンズから照射された光は測定面で反射されて対物レンズに戻り、この反射光は、その光量が複数の受光素子で検出される。これらの受光素子で検出された反射光の量に基づいて焦点位置からの対物レンズの位置のずれをフォーカスエラー信号として位置ずれ検出手段で検出し、この位置ずれ検出手段から出力されるフォーカスエラー信号がゼロとなるように撮像ユニットを移動手段で移動させてフォーカシングが達成される。
撮像ユニットが対物レンズの光軸と直交する平面内で移動するとともに撮像ユニットが対物レンズの光軸に沿って瞬時に移動することで倣い測定が行われる。この倣い測定に伴う撮像ユニット全体の移動により前記移動手段の応答速度の遅れが生じることもあるが、制御手段は、位置検出手段で検出される撮像ユニットの実測値にフォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値とするので、移動手段の応答速度の遅れが補償されることになる。
そのため、倣い測定の際にも、移動手段の応答速度の遅れの影響をなくして測定精度の向上を図ることができる。
【００１０】
本発明では、前述の構成のフォーカシングサーボ装置を備えた画像測定装置であることが好ましい。
この構成の発明では、倣い測定の際にも、移動手段の応答速度の遅れの影響をなくして測定精度の向上を図ることができる画像測定装置を提供することができる。
画像測定装置にかかる本発明では、前記対物レンズから出射した光の像を観察する観察光学系を備えた構成が好ましい。
この構成の発明では、対物レンズから入射される光学像を観察光学系で直接観察することができる。
【００１１】
本発明のフォーカシングサーボ方法は、光ビームを測定面に向けて照射するとともに前記測定面から反射する反射光を対物レンズを介して受光し、この受光した反射光の量を複数の受光素子で検出し、これらの受光素子で検出された反射光の量に基づいて焦点位置からの前記対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を位置ずれ検出手段で検出して焦点位置を認識し、この認識した焦点位置に一致させうように、前記対物レンズ、前記受光素子及び前記位置ずれ検出手段を含む撮像ユニットを移動手段で前記対物レンズの光軸に沿って移動させながら倣い測定を行うためのフォーカシングサーボ方法であって、前記移動手段で移動される撮像ユニットの前記光軸方向の位置の実測値を位置検出手段で検出するとともに、この検出された実測値に前記フォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値として前記移動手段の応答速度の遅れを補償することを特徴とする。
この構成の発明では、前述のフォーカシングサーボ装置の発明と同様の作用効果を奏することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフォーカシングサーボ装置を適用した画像測定装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態を図１から図４に基づいて説明する。
【００１３】
〔フォーカシングサーボ装置の構成〕
全体の概略構成を示す図１において、画像測定装置１は、撮像ユニット２と、この撮像ユニット２をＺ軸に沿って移動させる移動手段１１と、この移動手段１１で移動される撮像ユニット２のＺ軸方向の位置の実測値を検出する位置検出手段１０と、移動手段１１の駆動を制御する制御手段３と、この制御手段３で演算された測定結果を出力する測定結果出力手段２０とを備えて構成されている。
撮像ユニット２の概略構成が図２に示されている。
図２において、撮像ユニット２は、筐体４と、この筐体４に設けられ対物レンズ５を有するピンホール式の光学系機構部（図示せず）と、この対物レンズ５にダイクロイックミラー６を介して光ビームを照射するレーザダイオード７と、このレーザダイオード７とダイクロイックミラー６との間に設けられたビームスプリッタ８と、このビームスプリッタ８で反射された光を第１の受光素子２１と第２の受光素子２２とに分割するビームスプリッタ９とを備えて構成されている。これら第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２はフォトダイオードなどにて構成され、測定面から送られる反射光の光の量を検出する。撮像ユニット２は、倣い測定を可能とするために、対物レンズ５の光軸であるＺ軸に対して進退自在であるとともに、ワークを載置する図示しない載置台に対してＸＹ平面内で移動可能とされている。
【００１４】
移動手段１１は、撮像ユニット２をＺ軸方向に沿って移動させるサーボモータである。
位置検出手段１０は、例えば高精度ガラススケールを使用した図示しないリニアエンコーダ（ｌｉｎｅａｒ　ｅｎｃｏｒｄｅｒ）であり、このリニアエンコーダは、スケールと、このスケールを読み取る検出器とを備えている。
制御手段３は第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２にて受光した光の量を認識して移動手段１１の駆動を制御するものであって、Ｓ字曲線信号であるフォーカスエラー信号Ｓを求める位置ずれ検出手段１２と接続されている。
この位置ずれ検出手段１２は、第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２のそれぞれに接続されたオペアンプ等のそれぞれ図示しない差演算手段及び和演算手段を備えている。
そして、差演算手段は、第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２の出力電流を電圧に変換し、この変換された電圧値の差（Ａ−Ｂ）を演算する。
【００１５】
和演算手段は、第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２の出力電流を電圧に変換し、この変換された電圧値の和（Ａ＋Ｂ）を演算する。
位置ずれ検出手段１２には、差演算手段及び和演算手段に接続された図示しない除算手段が設けられている。この除算手段は、差演算手段の出力電圧を和演算手段の出力電圧で割って（（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））、フォーカスエラー信号Ｓを出力する。
【００１６】
このフォーカスエラー信号Ｓは、図３（Ａ）に示すように、測定面が対物レンズ５の焦点位置と一致する場合には０となり、測定面が対物レンズ５の焦点位置に対して近い場合には電圧値が負の値をとる。これに対して、測定面が対物レンズ５の焦点位置から遠い場合には、正の値をとる。このように、フォーカスエラー信号Ｓは略Ｓ字曲線状となる。
【００１７】
制御手段３は、図示しないＣＰＵを備え、このＣＰＵは、各種信号を処理する中央演算部（図示せず）を有している。
この中央演算部は、位置検出手段１０で検出される撮像ユニット２の実測値にフォーカスエラー信号Ｓの出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値を演算するものであり、この測定結果値を測定結果出力手段２０に出力する。
つまり、中央演算部は図示しないルックアップテーブルと接続されており、このルックアップテーブルには補正値が予め記憶されている。中央演算部は、ルックアップテーブルから呼び出した補正値に位置検出手段１０から出力される実測値を加算して測定結果値を演算する。
測定結果出力手段２０は制御手段３で演算された測定結果を図示しないディスプレイやプリンタ等の表示手段に出力する構成である。
【００１８】
〔フォーカシング処理動作〕
次に、本実施形態のフォーカシングサーボ装置の動作を図面に基づいて説明する。
画像測定装置１は、まず、所定の手順で、フォーカシングサーボ装置でワークの測定面が存在するか否かを判断するワークの検出工程をする。そして、フォーカシングサーボ装置は、測定面が存在すると判断した場合に、所定の手順で、フォーカシングすなわち焦点位置を認識してこの焦点位置まで対物レンズ５を移動させるフォーカシング工程をする。
撮像ユニット２がＸＹ平面内で移動するとともにＺ軸に沿って移動することで倣い測定が行われるが、この倣い測定において対物レンズ５の焦点位置が測定面の合うように撮像ユニット２のＺ軸方向の位置が制御される。
【００１９】
ここで、撮像ユニット２の移動に伴って移動手段１１の応答速度の遅れが生じることもある。
例えば、図４（Ｂ）に示される通り、測定面の低い位置から高い位置に向けて対物レンズ５が撮像ユニット２と一体となってＸＹ平面内で移動すると、図４（Ａ）に示される通り、位置検出手段１０で検出される撮像ユニット２の対物レンズ５と測定面との距離の実測点Ｐ１が焦点位置Ｏに比べて近い位置になり、応答速度の遅れが生じる。ＣＰＵでは、中央演算部が位置検出手段１０から出力される実測点Ｐ１に、実測点Ｐ１のフォーカスエラー信号の電圧値に応じてルックアップテーブルから呼び出された補正値Ｄ１を加えて測定結果値を演算し、この演算した測定結果値を測定結果出力手段２０に出力して応答速度の遅れを補償する。
これに対して、測定面の高い位置から低い位置に向けて対物レンズ５がＸＹ平面内で移動すると、図４（Ａ）に示される通り、対物レンズ５と測定面との距離の実測点Ｐ２が焦点位置Ｏに比べて遠い位置になり、応答速度の遅れが生じる。ＣＰＵでは、中央演算部が位置検出手段１０から出力される実測点Ｐ２に実測点Ｐ２のフォーカスエラー信号の電圧値に応じてルックアップテーブルから呼び出された補正値Ｄ２を引いて測定結果値を演算し、この演算した測定結果値を測定結果出力手段２０に出力して応答速度の遅れを補償する。
【００２０】
〔実施形態の効果〕
（１）対物レンズ５と、対物レンズ５からの反射光の量をそれぞれ検出する第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２と、これらの受光素子２１，２２にてそれぞれ検出する反射光の量に基づいて焦点位置からの対物レンズ５の位置のずれを示すフォーカスエラー信号を出力する位置ずれ検出手段１２とを有しかつ倣い測定が可能な撮像ユニット２と、この撮像ユニット２をＺ軸に沿って移動させる移動手段１１と、この移動手段１１で移動される撮像ユニット２のＺ軸方向の位置の実測値を検出する位置検出手段１０と、位置ずれ検出手段１２から出力されるフォーカスエラー信号Ｓがゼロとなるように移動手段１１の駆動を制御する制御手段１３とを備え、この制御手段１３は、位置検出手段１０で検出される撮像ユニット２の実測値にフォーカスエラー信号Ｓの出力値（電圧値）に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値とする構成としたので、倣い測定に際して撮像ユニット２全体のＺ軸方向での移動により移動手段１１の応答速度の遅れが生じることになっても、制御手段３によって移動手段１１の応答速度の遅れが補償されることになるので、測定精度の向上を図ることができる。
【００２１】
（２）前述の構成のフォーカシングサーボ装置を備えて画像測定装置１を構成したので、倣い測定の際にも、移動手段１１の応答速度の遅れの影響をなくして測定精度の向上を図ることができる画像測定装置を提供することができる。
（３）移動手段１１をサーボモータとしたので、制御手段３からの指令を受けて撮像ユニット２を迅速に制御することができる。
【００２２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。
第２実施形態は第１実施形態に比べて観察系光学系を備えた点が異なるもので、他の構成要素は第１実施形態と同じである。ここで、第２実施形態の説明において、第１実施形態と同様の構成要素は同一符号を付して説明を省略若しくは簡略にする。
【００２３】
図５において、第２実施形態の画像測定装置１０１は、倣い測定が可能な撮像ユニット１０２と、この撮像ユニット１０２をＺ軸に沿って移動させる移動手段１１と、この移動手段１１で移動される撮像ユニット１０２のＺ軸方向の位置の実測値を検出する位置検出手段１０（図１参照）と、移動手段１１の駆動を制御する制御手段３と（図１参照）、この制御手段３で演算された測定結果を出力する測定結果出力手段２０（図１参照）とを備えて構成されている。
撮像ユニット１０２は、前記筐体４、前記対物レンズ５、前記ダイクロイックミラー６、前記レーザダイオード７、前記ビームスプリッタ８、前記ビームスプリッタ９、前記第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２の他、対物レンズ５から出射した光の像を観察する観察光学系１１０を備えて構成されている。
観察光学系１１０は、対物レンズ５の光軸上に配置されたＣＣＤカメラ１１１と、対物レンズ５に照明光をビームスプリッタ１１２を介して入射する照明装置１１３と、ビームスプリッタ１１２とＣＣＤカメラ１１１との間に配置され倍率の異なる複数のチューブレンズ１１４と、これらのチューブレンズ１１４を選択する図示しない選択手段とを備えて構成されている。
【００２４】
照明装置１１３は落射照明や画像によるフォーカス用パターン投影等で使用される照明装置である。
第２実施形態では第１実施形態と同様の方法によりフォーカシングをすると同時に、測定面で反射した光学光を観察光学系１１０で観察する。
なお、第２実施形態では、フォーカシングをせず、観察光学系１１０のみを使用する場合には、第１実施形態で使用したレーザダイオード７をオフにする。
【００２５】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（４）画像測定装置１０１として、対物レンズ５から出射した光の像を観察する観察光学系１１０を備えた構成としたので、対物レンズ５から入射される光学像を観察光学系１１０で直接観察することができる。
（５）レーザダイオード７のオンオフを切り換えることができる構成としたので、フォーカシングをしない場合、レーザダイオード７から照射されて測定面で反射されるレーザ光の影響を受けることなく、観察光学系１１０での画像観察を容易に行える。
【００２６】
〔他の実施の形態〕
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できるものであれば、次に示すような変形形態も適用されるものである。
【００２７】
前記実施形態では、ピンホール式により第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２にて受光して位置ずれ検出手段１２にてフォーカスエラー信号Ｓを認識して説明したが、例えばナイフエッジ法など、いずれの方法によりフォーカスエラー信号Ｓを認識してもできる。
また、位置ずれ検出手段１２としては、差演算手段、和演算手段及び除算手段を用いて算出する構成について説明したが、フォーカスエラー信号Ｓをいずれの構成で求めてもできる。
【００２８】
さらに、一対の第１の受光素子２１及び第２の受光素子２２からの出力によりフォーカスエラー信号Ｓを求めたが、一対に限らず、３つ以上でもできる。
そして、移動手段として、サーボモータに限らず、撮像ユニット２，１０２を対物レンズ５の光軸に沿って移動可能ないずれの構成でもできる。
【００２９】
また、第２実施形態において、ダイクロイックミラー６とチューブレンズ１１４との間の光軸上にレーザダイオード７で照射されて測定面で反射されるレーザ光の波長をカットするフィルタを適宜設けるものであってもよい。これによれば、測定面で反射されるレーザ光の影響を受けることなく、観察光学系１１０での画像観察を容易に行える。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、撮像ユニットを移動手段で対物レンズの光軸に沿って移動させながら倣い測定を行うに際して、移動手段における応答速度の遅れが生じても、位置検出手段で検出される撮像ユニットの実測値にフォーカスエラー信号の出力値に応じて予め設定された補正値を加えて測定結果値とするので、移動手段の応答速度の遅れが補償される。そのため、測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフォーカシングサーボ装置を用いた画像測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の撮像ユニットの概略構成図である。
【図３】（Ａ）はフォーカスエラー信号の電圧値とワークとの距離との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は補正値と電圧値との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態のフォーカシングサーボ方法を説明するもので、（Ａ）は電圧値とワークとの距離との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は対物レンズと測定面との位置関係を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示すもので、図２に相当する図である。
【符号の説明】
１，１０１　画像測定装置
２，１０２　撮像ユニット
３　　制御手段
５　　対物レンズ
１０　　位置検出手段
１１　　移動手段
１２　　位置ずれ検出手段
２１　　第１の受光素子
２２　　第２の受光素子
Ｓ　　フォーカスエラー信号
１１０　　　観察光学系
１１１　　　ＣＣＤカメラ
１１４　　　チューブレンズ
【図１】
2004145009.tif 000003
【図２】
2004145009.tif 000004
【図３】
2004145009.tif 000005
【図４】
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【図５】
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