(57)【要約】【課題】細いワークも通常の太さのワークと同様に測定することができ、またビーム径が変化しても測定結果に影響を及ぼさない光学式寸法測定装置を提供する。【解決手段】走査光学系１０でワークＷｋをレーザ光で走査して得られたスキャン信号に基づき、エッジ信号生成回路２０がエッジ検出用の２値化信号Ｂｉ１を生成する。一方、傾き検出回路３０において、スキャン信号のレベル変化部分における傾きを示す２値化信号Ｂｉ２が生成される。この２値化信号Ｂｉ１、Ｂｉ２に基づき、遅延回路２１での遅延量が決定される。【選択図】　図１
2004053543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク上に測定光を走査して得られるスキャン信号を取得するスキャン信号取得部と、
前記スキャン信号を遅延させた第１遅延信号及び前記第１遅延信号を更に遅延させた第２遅延信号を生成する遅延部と、
前記第２遅延信号と前記スキャン信号とを合成して合成信号を生成する合成部と、
前記合成信号と前記第１遅延信号のレベルを比較して前記スキャン信号に対応する２値化信号を発生する比較回路と、
前記スキャン信号の形状を分析して信号分析処理結果を出力すると共に前記２値化信号に基づき前記ワークの寸法を演算し演算結果を出力する信号分析部と、
前記遅延部における遅延量を調整する遅延量調整部とを備えたことを特徴とする光学式寸法測定装置。
【請求項２】
前記信号分析部は、前記信号分析処理結果又は演算された前記ワークの寸法に基づき前記遅延部での適切な遅延量を算出するように構成されるとともに、この算出された適切な遅延量に前記遅延量調整部を調整する制御部を備えた請求項１に記載の光学式寸法測定装置。
【請求項３】
前記信号分析部は、前記信号分析処理結果又は演算された前記ワークの寸法に基づき前記遅延部での適切な遅延量を算出するように構成されるとともに、前記遅延量調整部は、手動で遅延量を入力するための調整量入力部を備えた請求項１に記載の光学式寸法測定装置。
【請求項４】
前記調整量入力部で入力された遅延量が前記適切な遅延量に合致するか否かを判定して判定結果を出力する判定部を更に備えた請求項３に記載の光学式寸法測定装置。
【請求項５】
前記信号分析部は、前記スキャン信号の傾きを検出する傾き検出部を含み、この傾きに基づき前記適切な遅延量を算出する請求項２又は３に記載の光学式寸法測定装置。
【請求項６】
前記信号分析部は、前記スキャン信号のレベルが変化する部分の幅を測定する幅測定部を含み、前記幅に基づき前記遅延量を算出する請求項２又は３に記載の光学式寸法測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物（以下ワークという）上に測定光を走査して、ワークの後ろ側で検出した走査方向の明暗パターン（スキャン信号）を分析してそのワークの寸法を測定する光学式寸法測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
こうした光学式寸法測定装置は、例えば、特開平６−１９６９８３号公報などにより知られている。ワークをレーザ光でスキャンして得られたスキャン信号の凹部分の幅を計測することにより、ワークの寸法を測定できる。
【０００３】
この際、この凹部分の幅を計測する方法としては、（１）この信号のピーク値をホールドし、その１／２の値を閾値としてスキャン信号を２値化する方式（ピークレベル方式）、（２）スキャン信号を２回微分して２値化信号を得る方式（２次微分方式）、（３）スキャン信号を所定時間遅延させて生成した第１、第２の遅延信号に基づき２値化信号を得る方式（ディレイライン方式）等がある。上記公報に開示の光学式寸法測定装置では、（３）のディレイライン方式を利用している。この方式を図４に基づいて説明する。
【０００４】
ワークをレーザ光でスキャンして得られたスキャン信号Ａ（図４（ａ））を遅延回路に入力させ、同図（ｂ）に示すような第１遅延信号Ｂ（１点鎖線）、第２遅延信号Ｃ（２点鎖線）を生成する。さらに、この第２遅延信号Ｃとスキャン信号Ａとを合成して振幅を半分にした合成信号Ｄ（同図（ｃ））を生成する。そして、この合成信号Ｄは、図（ｃ）に示すように、２段の階段上の波形となる。その１段目の水平部分ｄｓは、スキャン信号Ａの振幅の５０％の高さとなり、第１遅延信号Ｂと交差する。このため、第１遅延信号Ｂと合成信号Ｄの交点を求めることにより、スキャン信号Ａの凹部分ＳＧの幅を計測することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方式では、第１遅延信号Ｂ、第２遅延信号Ｃのスキャン信号Ａに対する遅延時間が一定であったため、ワークの寸法が小さくなった場合、測定光のビーム径が太くなった場合などにおいて正確な測定が出来ないという問題があった。
まず、ワークの寸法が小さくなった場合には、図５に示すように、スキャン信号Ａの幅も小さくなる。このとき、遅延信号Ｂ，Ｃの遅延時間を図４の場合と同じとすると（図５（ｂ））、合成信号Ｄは、図４（ｃ）のような２段の階段状の波形とはならず、図５（ｃ）に示すように、小さな１段の凹部が２つ並んだ波形となる。このため、第１遅延信号Ｂとの交点を求めても、スキャン信号Ａの振幅の５０％の高さの位置は検出できなくなってしまう（図５（ｄ））。
【０００６】
また、ワークがレーザ光の進行方向に関し移動するなどの理由によりワークに当たるビームのビーム径が太くなった場合には、図６に示すように、スキャン信号Ａのレベル変化部分の傾きが小さくなる。このため、このとき、遅延信号Ｂ，Ｃの遅延時間を図４の場合と同じとすると（図６（ｂ））、合成信号Ｄは図６（ｃ）に示すように、図４（ｃ）のような２段の階段状の波形ではなく１段の階段状の波形となってしまう（即ち、水平部分ｄｓが無い）。このため、微小な電圧変動が生じただけで両信号Ｂ，Ｄの交点位置が大きく変動してしまうので、スキャン信号Ａの凹部分ＳＧの幅を正確に検出することができなくなってしまう（図６（ｄ）参照）。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、細いワークも通常の太さのワークと同様に測定することができ、またビーム径が変化しても測定結果に影響を及ぼさない光学式寸法測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、本発明に係る光学式寸法測定装置は、ワーク上に測定光を走査して得られるスキャン信号を取得するスキャン信号取得部と、前記スキャン信号を遅延させた第１遅延信号及び前記第１遅延信号を更に遅延させた第２遅延信号を生成する遅延部と、前記第２遅延信号と前記スキャン信号とを合成して合成信号を生成する合成部と、前記合成信号と前記第１遅延信号のレベルを比較して前記スキャン信号に対応する２値化信号を発生する比較回路と、前記スキャン信号の形状を分析して信号分析処理結果を出力すると共に前記２値化信号に基づき前記ワークの寸法を演算し演算結果を出力する信号分析部と、前記遅延部における遅延量を調整する遅延量調整部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、遅延量調整部により、遅延部における遅延量が調整される。即ち、ワークの寸法やビームの状態等に応じて遅延部による遅延量を変えることができるので、より正確な測定結果を得ることができる。
【００１０】
この発明において、前記信号分析部は、前記信号分析処理結果又は演算された前記ワークの寸法に基づき前記遅延部での適切な遅延量を算出するように構成されるとともに、この算出された適切な遅延量に前記遅延量調整部を調整する制御部を備えるようにすることができる。
【００１１】
また、この発明において、前記信号分析部は、前記信号分析処理結果又は演算された前記ワークの寸法に基づき前記遅延部での適切な遅延量を算出するように構成されるとともに、前記遅延量調整部は、手動で遅延量を入力するための調整量入力部を備えるようにすることができる。さらに、この調整量入力部で入力された遅延量が前記適切な遅延量に合致するか否かを判定して判定結果を出力する判定部を更に備えるようにすることができる。
【００１２】
前記信号分析部は、前記スキャン信号の傾きを検出する傾き検出部を含み、この傾きに基づき前記適切な遅延量を算出するように構成することができる。
【００１３】
また、前記信号分析部は、前記スキャン信号のレベルが変化する部分の幅を測定する幅測定部を含み、この幅に基づき前記遅延量を算出することができる。
【発明の実施の形態】
【００１４】
次に本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る光学式寸法測定装置の全体構成を示している。
この光学式寸法測定装置は、ワークＷｋをレーザ光で走査してスキャン信号を出力する走査光学系１０と、このスキャン信号を処理してワークＷｋの寸法を測定するためのエッジ信号を出力するエッジ信号生成回路２０と、スキャン信号のレベル変化部分の傾きを検出する傾き検出回路３０と、演算制御部４０とから大略構成されている。
【００１５】
走査光学系１０は、図１に示すようにレーザ光源１１、ミラー１２、ポリゴンミラー１３、モータ１４、モータ駆動回路１４Ｄ、モータ同期回路１４Ｓ、ｆ−θレンズ１５、集光レンズ１６、測定用受光素子１７、アンプ１８、リセット用受光素子１９等により構成される。レーザ光源１１は、レーザビームＬ１を出力する。出力されたレーザビームＬ１は、ミラー１２で反射された後ポリゴンミラー１３に入射する。
【００１６】
ポリゴンミラー１３は、モータ１４により回転駆動され、これにより、レーザビームＬ１は、ポリゴンミラー１３で回転走査ビームＬ２に変換され、更にｆ−θレンズ１５でビーム径を絞った等速度の平行走査ビームＬ３に変換される。この平行走査ビームＬ３はポリゴンミラー１３の回転に伴いワークＷｋを含む測定領域を走査するように照射され、集光レンズ１６を通して測定用受光素子１７に入射する。測定用受光素子１７の出力（スキャン信号Ａ）はアンプ１８で増幅された後、エッジ信号生成回路２０に入力される。
なお、モータ１４はモータ駆動回路１４Ｄにより駆動されており、また、このモータ駆動回路１４Ｄは、モータ同期回路１４Ｓからの同期信号に基づいて駆動信号を出力している。
【００１７】
リセット用受光素子１９は、回転走査ビームＬ２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ためのものである。このリセット用受光素子１９の出力信号はリセット回路１９Ａに入力される。リセット回路１９Ａは、この出力信号の出力タイミングに基づいてリセット信号を発生する。このリセット信号は、後述するゲート回路４１及び４２のリセットに使用される。
【００１８】
エッジ信号生成回路２０は、アンプ１８の出力（スキャン信号Ａ）を波形整形（２値化）してワークＷｋの寸法を測定するためのエッジ信号を生成する機能を備えている。エッジ信号生成回路２０は、遅延回路２１と、２値化回路２４と、遅延量選択回路２５とを備えている。
【００１９】
遅延回路２１は、スキャン信号Ａを所定時間Ｔｄだけ遅延させた第１の遅延信号Ｂを生成するとともに、第１の遅延信号を更にＴｄだけ遅延させた第２の遅延信号Ｃを生成するものである。この遅延時間Ｔｄは、後述するように遅延量選択回路２５により変化させられる。２値化回路２４は、合成信号Ｄと第１の遅延信号Ｂとを比較し、その比較結果としての２値化信号Ｂｉ１を出力する比較回路として機能するものである。
【００２０】
遅延回路２１の具体的な構成を図２に示す。遅延回路２１は、複数の分布定数回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃを、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２を介して直列に接続して構成される。ＳＷ１は、タップＴ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかを選択的にアンプ１８に接続するためのものである。遅延量選択回路２５からの選択信号により、スイッチＳＷ１が、タップＴ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかに切り替わる。
【００２１】
前述のスイッチＳＷ２１、ＳＷ２２は、このスイッチＳＷ１と連動して動作するようにされている。すなわち、スイッチＳＷ１がタップＴ１に接続されているときには、スイッチＳＷ２１、スイッチＳＷ２２は閉じている。一方、スイッチＳＷ１がタップＴ２に接続されている場合には、スイッチＳＷ２１は開いていて、スイッチＳＷ２２は閉じている。また、スイッチＳＷ１がタップＴ３に接続されている場合には、スイッチＳＷ２１、スイッチＳＷ２２は共に開いている。これにより、遅延回路２１の遅延量が３段階に切り替えられる。
【００２２】
傾き検出回路３０は、バイアス回路３１と、２値化回路３２とを備えており、スキャン信号Ａのレベル変化部分の傾きを算出するための２値化信号Ｂｉ２を出力する。すなわち、バイアス回路３１により、第１の遅延信号Ｂの振幅の１０％に相当する大きさだけ第１の遅延信号Ｂの最小値よりも大きい閾値信号ＴＨを生成し、これを２値化回路３２において、第１の遅延信号Ｂと、この閾値信号ＴＨとを比較して、その結果を示す２値化信号Ｂｉ２を出力する（図３参照）。
後述するように、２値化信号Ｂｉ１と２値化信号Ｂｉ２とにより、スキャン信号Ａのレベル変化部分の傾きが演算制御部４０にて演算される。そして、この演算結果が遅延量選択回路２５にフィードバックされ、遅延回路２１での遅延量が選択される。
【００２３】
演算制御部４０は、ゲート回路４１、ゲート回路４２、カウンタ４３、カウンタ４４、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含む記憶装置４５、クロック発生装置４６、ＣＰＵ４７、表示部４８と、各構成要素間でやりとりされるデータを伝送するためのバスＢＳとを備えている。
ゲート回路４１は、２値化信号Ｂｉ１の立ち上がりエッジ及び立下りエッジに基づき、カウンタ４３に入力させるクロックを制御する。ゲート回路４２は、ＣＰＵ４７により指定される２値化信号Ｂｉ２の立ち上がりエッジ又は立下りエッジのいずれかに基づき、カウンタ４４に入力させるクロックを制御する。
【００２４】
カウンタ４３は、クロック発生回路４６から発生されゲート回路４１を経由したクロックをカウントしてそのカウント信号Ｃ１、Ｃ２（図３参照）を出力する。すなわち、２値化信号Ｂｉ１の立ち下がりエッジに基づきゲート回路４１から出力されるゲート信号により、カウント値Ｃ１を出力するとともに、２値化信号Ｂｉ１の立上がりエッジに基づきゲート回路４１から出力されるゲート信号によりカウント値Ｃ２を出力する。そして、このカウント値Ｃ１からカウント値Ｃ２を差し引いた値に定数ｋを掛け合わせた値Ｓ＝ｋ×（Ｃ１−Ｃ２）を演算する。この演算値Ｓは、前述の遅延回路２１で遅延量が適切に設定されている場合には、ワークＷｋの寸法値を示す。
【００２５】
カウンタ４４は、クロック発生回路４６で発生されゲート回路４２を経由したクロックをカウントしてそのカウント信号Ｃ３（図３参照）を出力する。すなわち、ＣＰＵ４７で指定された２値化信号Ｂｉ２の立ち上がりエッジ又は立下りエッジ（図３に示す例では立下りエッジとしている）に基づきゲート回路４２から出力されるゲート信号により、カウント値Ｃ３を出力する。そして、前述のカウント値Ｃ１からこのカウントＣ３とを差し引いた値（スキャン信号Ａのレベル変化部分の傾き又は幅に対応する値）にｋ×２を掛け合わせた値Ｇ＝２×ｋ×（Ｃ１−Ｃ３）を演算する。この値Ｇが、ビームＬ１のビーム径を表わしている。
【００２６】
遅延量Ｔｄが適切に設定されていない場合には、演算値Ｓは、ワークＷｋの寸法値とは誤差がある可能性がある。そこで本実施の形態では、ＣＰＵ４７が得られた演算値Ｓ及びＧに基づき適切な遅延量Ｔｄを判定し、この遅延量Ｔｄを遅延量選択回路２５に設定させる。これにより、ワークＷｋの大きさに沿う適切な遅延量Ｔｄが設定され、演算値ＳがワークＷｋの寸法値を正確に示すようになる。
演算値Ｓ、Ｇ値及び遅延量Ｔｄとの関係は、次の式を満足するように設定される。
【００２７】
【数１】
Ｓ−Ｇ／２＞ｋ×Ｔｄ＞Ｇ／２
【００２８】
以上のように、図１の装置によれば、スキャン信号のレベル変化部分の傾きなど、スキャン信号の形状が分析され、この分析結果、及び、ワークＷｋの寸法測定値（演算値Ｓ）に基づき、遅延回路２１における適切な遅延量Ｔｄが設定される。このため、ワークＷｋの寸法の変化や、ビームＬ１のスポット径の変化等にかかわらず正確な寸法の測定値を得ることが出来る。
【００２９】
以上、発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、演算制御部４０により適切な遅延量Ｔｄが演算され、その遅延量が遅延量選択回路２５に自動的に設定されるように構成しているが、図７に示すように、遅延量選択回路２５で選択する遅延量Ｔｄを、ダイヤル２５Ｄにより選択させると共に、判定部５０により、この遅延量Ｔｄが上述の［数１］に合致するか否かを判定させる。そして［数１］に合致していると判定された場合には、表示部６０においてその旨を表示させる。例えば、表示部６０のパイロットランプ６０Ｌを点灯させて、適切な遅延量Ｔｄが設定されたことを報知する。遅延量Ｔｄが［数１］に合致していない場合にはパイロットランプ６０Ｌが点灯するまでダイヤル２５Ｄを調節することにより、適切な遅延量Ｔｄを設定することができる。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能であることはいうまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る光学式寸法測定装置によれば、細いワークも通常の太さのワークと同様に測定することができ、またビーム径が変化しても測定結果に影響を及ぼさず正確な測定値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学式寸法測定装置の全体構成を示す。
【図２】図１の遅延回路２１の具体的な構成を示す。
【図３】エッジ信号生成回路２０及び傾き検出回路３０における出力に基づいてワークＷｋの寸法、及びビーム径を求める手法について説明するための説明図である。
【図４】ディレイライン方式を説明するための概念図である。
【図５】ディレイライン方式の問題点を説明するものである。
【図６】ディレイライン方式の問題点を説明するものである。
【図７】本実施の形態の変形例を示す。
【符号の説明】
１０・・・走査光学系、　２０・・・エッジ信号生成回路、　３０・・・傾き検出回路、　４０・・・演算制御部、　１１・・・レーザ光源、　Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・レーザ光、　１３・・・ポリゴンミラー、　１４・・・モータ、　１５・・・ｆ−θレンズ、　Ｗｋ・・・ワーク、　１６・・・集光レンズ、　１７・・・測定用受光素子、　１８・・・アンプ、　１９・・・リセット用受光素子、　１９Ａ・・・リセット回路、　２０・・・エッジ信号生成回路、２１・・・遅延回路、　　２４・・・２値化回路、　２５・・・遅延量選択回路、　３１・・・バイアス回路、　３２・・・２値化回路、　４１、４２・・・ゲート回路、　４３，４４・・・カウンタ、　４５・・・記憶装置、　４６・・・クロック発生回路、　４７・・・ＣＰＵ、　４８・・・表示部、５０・・・判定部、　６０・・・表示部
【図１】
2004053543.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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