JP2006242689A

JP2006242689A - 自動焦点制御装置

Info

Publication number: JP2006242689A
Application number: JP2005057232A
Authority: JP
Inventors: Hironao Mega; 浩尚妻鹿; Keiichi Yoshizumi; 恵一吉住; Koji Handa; 宏治半田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】被測定物に傷をつけたり、障害物との衝突による測定プローブの破損を防止すること。
【解決手段】測定プローブによる押し込み量の設定が不適切な場合には、位置制御からフォーカス制御に切り換わらない構成とし、また、光検出器１１ａ、１１ｂの検出信号とフォーカス誤差信号のいずれかが設定範囲を超えるとＸ軸方向あるいはＹ軸方向の駆動を停止し、それまでの移動方向と逆方向に設定量駆動するので、被測定物２１に傷をつけたり、測定プローブと障害物等との衝突による測定プローブの破損を防止することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を利用した光学測定装置等において、レーザ光の焦点が常に被測定物の面上に合うように構成された自動焦点制御装置に関するものである。

レーザ光のフォーカス位置を自動的に制御する自動焦点制御装置は、レーザ光のフォーカス位置に対する誤差量に基づいてフォーカス誤差信号を発生させ、この誤差信号がゼロとなるようにフォーカス制御を行うフォーカス制御機構を持っている（例えば、特許文献１参照）。

また、フォーカス制御を利用した三次元測定用プローブ及び形状測定方法は特許第３０００８１９号公報に記載されており、図２に示す構成となっている。

Ｚ方向に移動可能なフォーカス制御機構１５において半導体レーザ１から発したレーザ光Ｇはコリメートレンズ２、偏光ビームスプリッタ３、λ／４波長板４を透過した後、ダイクロイックミラー５を反射し、対物レンズ６によってスタイラス７の上面に取り付けられたミラー２３上に集光する。対物レンズ６に戻ったレーザ光Ｇの反射光はダイクロイックミラー５及び偏光ビームスプリッタ３を全反射し、レンズ８で集光されてハーフミラー９で２つに分離され、ピンホール１０ａ、１０ｂを通過し、２つの光検出器１１ａ、１１ｂで受光される。２つの光検出器１１ａ、１１ｂの出力はフォーカス誤差信号発生部１２によりフォーカス誤差信号となり、サーボ回路１３によってこのフォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ１４を制御し、フォーカス制御機構１５を含むＺ移動部の自重分は渦巻きバネ１６により支持される。スタイラス７は円筒状のスライド部２２を有し、スライド部２２はエアー供給部１８から供給されるエアーの吹き出し穴を有するガイド１９の内壁をエアースライドとしてＺ方向に可動である。スライド部２２の上部にはミラー２３が固定され、スライド部２２、スタイラス７、ミラー２３からなる可動部の重量はバネ２０によって支えられる。

スタイラス７の下端には各種の曲率半径を持つ針がついており、被測定面２１上を１０〜１００ｍｇという弱い測定圧で走査され、被測定面の形状に沿って上下するが、スタイラス７が上下するとフォーカス制御が働いてフォーカス制御機構１５全体が上下するのでミラー２３上に常に対物レンズ６の焦点が合っている。

Ｆｚは発振周波数安定化ヘリウムネオンゼーマンレーザの光でミラー２３に当たって反射しレーザ測長器によってＺ座標を測定するためのものである。

図３は、対物レンズ６とミラー２３との距離Ｌと各光検出器１１ａ、１１ｂで検出される信号との関係を示す図である。図３（ａ）は光検出器１１ａで検出される電流から変換された電圧Ｖ１に関するグラフで、図３（ｂ）は光検出器１１ｂで検出される電流から変換された電圧Ｖ２に関するグラフで、図３（ｃ）は電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差電圧Ｖｅに関するグラフである。図３（ｃ）の曲線を以下、Ｓ字曲線と呼ぶ。このＳ字曲線の真中のＶｅ＝０の点がフォーカス位置であり、この位置にくるようにフォーカス制御がかけられる。

フォーカスＯＦＦ時のＶｅが図３（ｃ）に示す所にある状態で、スタイラス７を被測定面２１に接触させフォーカス制御をかけると、図３（ｃ）に示す押し込み量だけスタイラス７が押し込まれた状態になる。したがって、フォーカスＯＦＦ時の対物レンズ６とミラー２３の距離を調整することにより、フォーカス制御時のスタイラス７の押し込み量を自由に設定することができる。

Ｓ字曲線のリニアな領域は、フォーカス引き込み範囲と呼ばれるが、この範囲が数十μｍ程度であるのに対し、様々な形状の被測定物に対応するためには、対物レンズ６の可動範囲としては数十ｍｍ程度は必要なため、フォーカス引き込み範囲外では、フォーカス制御機構１５の位置を制御する必要がある。

そのため、フォーカス誤差信号発生部１２とサーボ回路１３を含めた制御装置は図４に示すように構成されている。フォーカス制御機構１５の位置制御を行うために、位置指令信号を出力するＺ位置指令出力手段４０と、フォーカス制御機構１５の位置を検出し実位置信号として出力する位置検出回路２４と、位置指令信号と実位置信号との誤差を検出する減算器３７と、減算器３７から出力される位置誤差信号に基づき、リニアモータ１４に流す電流指令信号を出力するＺ位置制御回路３５と、Ｚ位置制御回路３５から出力される電流指令信号に基づき、リニアモータ１４に流れる電流を制御するＺ駆動回路３３が設けられている。また、フォーカス制御を行うために、光検出器１１ａ、１１ｂで検出される光量に比例した電気信号を発生させるフォーカス信号１発生回路２５及びフォーカス信号２発生回路２６と、フォーカス信号１発生回路２５から出力される信号とフォーカス信号２発生回路２６から出力される信号との差をフォーカス誤差信号として出力するフォーカス誤差信号発生回路２７と、フォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ１４に流す電流指令信号を出力するフォーカス制御回路３６とが設けられ、フォーカス制御回路３６から出力される電流指令信号は位置制御時と同じＺ駆動回路３３に入力される。なお、位置制御とフォーカス制御とを切り換えるために、位置制御回路３５及びフォーカス制御回路３６とＺ駆動回路３３との間に切換スイッチ３４が設けられており、フォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段４１により切り換えられる。

スタイラス７を被測定物２１の面に沿って走査させるために、フォーカス制御機構１５はＸ−Ｙ駆動機構２８により、Ｘ方向及びＹ方向に駆動される。Ｘ方向については、Ｘ位置指令出力手段３８から出力されるＸ位置指令に基づき、Ｘ駆動回路３１によりＸパルスモーター２９が駆動される。Ｙ方向についても同様に、Ｙ位置指令出力手段３９から出力されるＹ位置指令に基づき、Ｙ駆動回路３２によりＹパルスモーター３０が駆動される。
特開平１−２２０２２７号公報（第２−３頁）

しかしながら、前記従来の自動焦点制御装置の構成では、スタイラスの押し込み量を一定にするために、フォーカスＯＦＦ時のフォーカス誤差電圧が所定の値になるように対物レンズとミラー面の距離を調整しているが、同じ電圧になる所が２箇所あるため、押し込み量が大きくなる方に設定してしまう可能性がある。また、所定の値に調整されていない状態でも、フォーカス制御はかかるので、押し込み量が強すぎる場合には、被測定物に傷をつけたり、測定プローブを破損させてしまうという問題点を有していた。

また上記のような従来の自動焦点制御装置では、測定プローブの可動範囲に障害物がある場合に、測定プローブの動作設定を誤って動作させると、測定プローブが障害物にぶつかって破損してしまうという問題点を有していた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、測定プローブの押し込み量の設定が不適切な場合には、フォーカス制御を禁止し、被測定物への傷つけや測定プローブの破損を防止することができ、また、操作を誤った場合でも、測定プローブと障害物等との衝突による測定プローブの破損を防止することができる自動焦点制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の自動焦点制御装置は、一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた上下方向に動作可能な可動部Ａと、前記可動部Ａと同方向に移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、前記スタイラスを被測定物の面上を水平方向に走査させる時にレーザ光を前記ミラー面に照射し、前記レーザ光の焦点が常に前記ミラー面に合うように前記可動部Ｂを駆動することにより、前記可動部Ａと前記可動部Ｂとの相対位置を一定に制御する相対位置制御手段とを有する形状測定装置における自動焦点制御装置であって、前記レーザ光の前記ミラー面での反射光を２つの光検出器に導き、前記２つの光検出器で検出する光量の差からフォーカス誤差信号が得られるように構成されたフォーカス誤差信号検出手段と、前記可動部Ｂを駆動するフォーカス制御機構駆動手段と、前記フォーカス誤差信号がゼロとなるように前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御するフォーカス制御回路部と、前記可動部Ｂの絶対的な位置を検出する位置検出器と、前記可動部Ｂの目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御する位置制御回路部と、前記フォーカス制御機構駆動手段に前記位置制御回路部と前記フォーカス制御回路部とを切り換え接続する切換スイッチとを備え、前記２つの光検出器で検出される信号と前記フォーカス誤差信号とがそれぞれあらかじめ設定しておいた範囲内にある場合にのみ、前記切換スイッチにより、前記位置制御回路部を前記フォーカス制御回路部に切り換える構成としたことを特徴とする。

本構成によって、押し込み量の設定が不適切な場合には、位置制御からフォーカス制御に切り換わらないので、被測定物に傷をつけたり、測定プローブを破損させることを防止することができる。

また、本発明の請求項２に記載の自動焦点制御装置は、一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた上下方向に動作可能な可動部Ａと、前記可動部Ａと同方向に移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、前記スタイラスを被測定物の面上を水平方向に走査させる時にレーザ光を前記ミラー面に照射し、前記レーザ光の焦点が常に前記ミラー面に合うように前記可動部Ｂを駆動することにより、前記可動部Ａと前記可動部Ｂとの相対位置を一定に制御する相対位置制御手段とを有する形状測定装置における自動焦点制御装置であって、前記レーザ光の前記ミラー面での反射光を２つの光検出器に導き、前記２つの光検出器で検出する光量の差からフォーカス誤差信号が得られるように構成されたフォーカス誤差信号検出手段と、前記可動部Ｂを駆動するフォーカス制御機構と、前記フォーカス誤差信号がゼロとなるように前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御するフォーカス制御回路部と、前記可動部Ｂの絶対的な位置を検出する位置検出器と、前記可動部Ｂの目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御する位置制御回路部と、前記フォーカス制御機構駆動手段に前記位置制御回路部と前記フォーカス制御回路部とを切り換え接続する切換スイッチと、前記スタイラスを前記被測定物の面上を水平方向に走査させるＸ軸駆動手段及びＹ軸駆動手段とを備え、前記切換スイッチが前記位置制御回路部側か前記フォーカス制御回路部側のどちら側にあっても常に前記２つの光検出器で検出される信号と前記フォーカス誤差信号とを監視し、前記Ｘ軸駆動手段あるいは前記Ｙ軸駆動手段によりＸ軸方向あるいはＹ軸方向に駆動している時に、前記２つの光検出器で検出される信号と前記フォーカス誤差信号のいずれかがそれぞれあらかじめ設定しておいた範囲を超えるとＸ軸方向あるいはＹ軸方向の駆動を停止し、それまでの移動方向と逆方向にあらかじめ設定しておいた量だけ駆動するように構成としたことを特徴とする。

本構成によって、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に駆動している時に、２つの光検出器で検出される信号とフォーカス誤差信号のいずれかがそれぞれあらかじめ設定しておいた範囲を超えるとＸ軸方向あるいはＹ軸方向の駆動を停止し、それまでの移動方向と逆方向にあらかじめ設定しておいた量だけ駆動するので、測定プローブと障害物等との衝突による測定プローブの破損を防止することができる。

以上のように、本発明の自動焦点制御装置によれば、位置制御からフォーカス制御に切り換える前に、フォーカス信号１及びフォーカス信号２及びフォーカス誤差信号の状態を確認することにより、押し込み量の設定が適切な範囲であるかどうかを判定し、押し込み量の設定が不適切な場合にはフォーカス制御に切り換えることを禁止することができ、その結果、被測定物に傷をつけたり、測定プローブを破損させることを防止することができる。

また、Ｘ−Ｙ駆動機構を駆動中にフォーカス信号１及びフォーカス信号２及びフォーカス誤差信号の状態を監視することにより、測定プローブの異常を検出し、その駆動方向と逆方向に退避させることができ、その結果、測定プローブと何らかの障害物との衝突による測定プローブの破損を防止することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態における自動焦点制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す自動焦点制御装置におけるフォーカス制御系の構造図であり、従来の自動焦点制御装置におけるフォーカス制御系と全く同じ構成となっている。また、図３は、図１に示す自動焦点制御装置における２つの光検出器で検出される信号の波形を示す図であり、従来の自動焦点制御装置における信号の波形と全く同一である。

図１において、基本構成は、従来の自動焦点制御装置と同じであり、フォーカス制御機構１５の位置制御を行うために、位置指令信号を出力するＺ位置指令出力手段４０と、フォーカス制御機構１５の位置を検出し実位置信号として出力する位置検出回路２４と、位置指令信号と実位置信号との誤差を検出する減算器３７と、減算器３７から出力される位置誤差信号に基づき、リニアモータ１４に流す電流指令信号を出力するＺ位置制御回路３５と、Ｚ位置制御回路３５から出力される電流指令信号に基づき、リニアモータ１４に流れる電流を制御するＺ駆動回路３３が設けられている。また、フォーカス制御を行うために、光検出器１１ａ、１１ｂで検出される光量に比例した電気信号を発生させるフォーカス信号１発生回路２５及びフォーカス信号２発生回路２６と、フォーカス信号１発生回路２５から出力される信号とフォーカス信号２発生回路２６から出力される信号との差をフォーカス誤差信号として出力するフォーカス誤差信号発生回路２７と、フォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ１４に流す電流指令信号を出力するフォーカス制御回路３６とが設けられ、フォーカス制御回路３６から出力される電流指令信号は位置制御時と同じＺ駆動回路３３に入力される。なお、位置制御とフォーカス制御とを切り換えるために、位置制御回路３５及びフォーカス制御回路３６とＺ駆動回路３３との間に切換スイッチ３４が設けられており、フォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段４１により切り換えられる。

スタイラス７を被測定物２１の面に沿って走査させるために、フォーカス制御機構１５はＸ−Ｙ駆動機構２８により、Ｘ方向及びＹ方向に駆動される。Ｘ方向については、Ｘ位置指令出力手段３８から出力されるＸ位置指令に基づき、Ｘ駆動回路３１によりＸパルスモーター２９が駆動される。Ｙ方向についても同様に、Ｙ位置指令出力手段３９から出力されるＹ位置指令に基づき、Ｙ駆動回路３２によりＹパルスモーター３０が駆動される。

従来の自動焦点制御装置との違いは、押し込み量の設定が適切かどうかを判定するために、押し込み量判定手段４２を設けたことと、フォーカス制御機構１５またはスタイラス７が何らかの障害物に接触したことを検出するために、プローブの異常検出手段４３を設けたところにある。

押し込み量判定手段４２には、フォーカス信号１発生回路２５から出力される信号と、フォーカス信号２発生回路２６から出力される信号と、フォーカス誤差信号発生回路２７から出力されるフォーカス誤差信号が入力される。各信号が適切な範囲であるかどうかの判定を行うために、フォーカス信号１判定基準値Ｖ１ａとフォーカス信号２判定基準値Ｖ２ａとフォーカス誤差信号判定基準値Ｖｅａ及びＶｅｂをあらかじめ設定しておき、Ｖ１＞Ｖ１ａかつＶ２＞Ｖ２ａかつＶｅａ＜Ｖｅ＜Ｖｅｂの時は押し込み量が適切な範囲であり、位置制御からフォーカス制御への切り換えを許可する。それ以外の時は、押し込み量が不適切であるので、位置制御からフォーカス制御への切り換えを禁止する。

プローブ異常検出手段４３には、フォーカス信号１発生回路２５から出力される信号と、フォーカス信号２発生回路２６から出力される信号と、フォーカス誤差信号発生回路２７から出力されるフォーカス誤差信号が入力される。各信号が適切な範囲であるかどうかの判定を行うために、フォーカス信号１判定基準値Ｖ１ｃとフォーカス信号２判定基準値Ｖ２ｃとフォーカス誤差信号判定基準値Ｖｅｃ及びＶｅｄをあらかじめ設定しておき、プローブ異常検出条件をＶ１＜Ｖ１ｃまたはＶ２＜Ｖ２ｃまたはＶｅ＜ＶｅｃまたはＶｅ＞Ｖｅｄとする。また、前記条件によりプローブ異常を検出した時にＸ軸方向またはＹ軸方向に退避させる移動量Ｅｓをあらかじめ設定しておく。Ｘ軸方向に駆動している時に前記条件によりプローブ異常を検出すると、Ｘ位置指令出力手段３８により逆方向にＥｓだけの指令を出力し、Ｙ軸方向に駆動している時に前記条件によりプローブ異常を検出すると、Ｙ位置指令出力手段３９により逆方向にＥｓだけの指令を出力する。

本発明の自動焦点制御装置は、被測定物に傷をつけたり、測定プローブを破損させることを防止することができ、また、測定プローブの異常検出時に、その駆動方向と逆方向に退避させることにより、測定プローブと障害物との衝突による測定プローブの破損を防止することができ、三次元形状測定装置等の光学測定装置に適用できる。

本発明の一実施形態における自動焦点制御装置の構成を示すブロック図本実施形態の自動焦点制御装置におけるフォーカス制御系の構造図本実施形態の自動焦点制御装置における２つの光検出器で検出される信号の波形を示す図従来の自動焦点制御装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１半導体レーザ
７スタイラス
１１ａ、１１ｂ光検出器
１２フォーカス誤差信号発生部
１４リニアモータ
１５フォーカス制御機構
２１被測定物
２３ミラー
２４位置検出回路
２８Ｘ−Ｙ駆動機構
３１Ｘ駆動回路
３２Ｙ駆動回路
３３Ｚ駆動回路
３４切換スイッチ
３５Ｚ位置制御回路
３６フォーカス制御回路
３８Ｘ位置指令出力手段
３９Ｙ位置指令出力手段
４０Ｚ位置指令出力手段
４１フォーカス制御ＯＮ／ＯＦＦ設定手段
４２押し込み量判定手段
４３プローブ異常検出手段

Claims

一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた上下方向に動作可能な可動部Ａと、前記可動部Ａと同方向に移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、前記スタイラスを被測定物の面上を水平方向に走査させる時にレーザ光を前記ミラー面に照射し、前記レーザ光の焦点が常に前記ミラー面に合うように前記可動部Ｂを駆動することにより、前記可動部Ａと前記可動部Ｂとの相対位置を一定に制御する相対位置制御手段とを有する形状測定装置における自動焦点制御装置であって、前記レーザ光の前記ミラー面での反射光を２つの光検出器に導き、前記２つの光検出器で検出する光量の差からフォーカス誤差信号が得られるように構成されたフォーカス誤差信号検出手段と、前記可動部Ｂを駆動するフォーカス制御機構駆動手段と、前記フォーカス誤差信号がゼロとなるように前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御するフォーカス制御回路部と、前記可動部Ｂの絶対的な位置を検出する位置検出器と、前記可動部Ｂの目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御する位置制御回路部と、前記フォーカス制御機構駆動手段に前記位置制御回路部と前記フォーカス制御回路部とを切り換え接続する切換スイッチとを備え、前記２つの光検出器で検出される信号と前記フォーカス誤差信号とがそれぞれあらかじめ設定しておいた範囲内にある場合にのみ、前記切換スイッチにより、前記位置制御回路部を前記フォーカス制御回路部に切り換える構成としたことを特徴とする自動焦点制御装置。
一端にスタイラス、他端にミラー面を設けた上下方向に動作可能な可動部Ａと、前記可動部Ａと同方向に移動可能な状態で連結された可動部Ｂと、前記スタイラスを被測定物の面上を水平方向に走査させる時にレーザ光を前記ミラー面に照射し、前記レーザ光の焦点が常に前記ミラー面に合うように前記可動部Ｂを駆動することにより、前記可動部Ａと前記可動部Ｂとの相対位置を一定に制御する相対位置制御手段とを有する形状測定装置における自動焦点制御装置であって、前記レーザ光の前記ミラー面での反射光を２つの光検出器に導き、前記２つの光検出器で検出する光量の差からフォーカス誤差信号が得られるように構成されたフォーカス誤差信号検出手段と、前記可動部Ｂを駆動するフォーカス制御機構と、前記フォーカス誤差信号がゼロとなるように前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御するフォーカス制御回路部と、前記可動部Ｂの絶対的な位置を検出する位置検出器と、前記可動部Ｂの目標位置を指令するための位置指令信号を生成する位置指令生成器と、前記位置検出器からの実位置信号と前記位置指令生成器からの位置指令信号とが等しくなるように、前記フォーカス制御機構駆動手段により前記可動部Ｂの位置を制御する位置制御回路部と、前記フォーカス制御機構駆動手段に前記位置制御回路部と前記フォーカス制御回路部とを切り換え接続する切換スイッチと、前記スタイラスを前記被測定物の面上を水平方向に走査させるＸ軸駆動手段及びＹ軸駆動手段とを備え、前記切換スイッチが前記位置制御回路部側か前記フォーカス制御回路部側のどちら側にあっても常に前記２つの光検出器で検出される信号と前記フォーカス誤差信号とを監視し、前記Ｘ軸駆動手段あるいは前記Ｙ軸駆動手段によりＸ軸方向あるいはＹ軸方向に駆動している時に、前記２つの光検出器で検出される信号と前記フォーカス誤差信号のいずれかがそれぞれあらかじめ設定しておいた範囲を超えるとＸ軸方向あるいはＹ軸方向の駆動を停止し、それまでの移動方向と逆方向にあらかじめ設定しておいた量だけ駆動するように構成としたことを特徴とする自動焦点制御装置。