JP2010197112A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

【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】投光素子２１は、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を介してワークＷに照射される。走査部２３は、ワークＷの表面で１次元的に光を走査する。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により受光量分布を示す受光信号が得られる。投光制御部３は、投光素子２１の発光レベルを制御する。受光制御部４は、受光素子３１の露光時間を制御する。波形生成部６は、受光信号を波形データに変換する。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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

ワークの断面形状を計測する方法として、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特許第３６１３７０８号

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。

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。

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。

（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で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する受光素子と、受光素子から出力される受光信号を増幅して波形データを生成する波形データ生成部と、光走査手段による投光方向毎に光発生部による発光強度の設定値および受光素子の露光時間の設定値に基づいて光発生部の発光強度および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発光強度の設定値および露光時間の設定値を調整する制御手段とを備え、制御手段は、発光強度の設定値を露光時間の設定値よりも優先的に調整するものである。

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。

光発生部の発光強度および受光素子の露光時間は、光走査手段による投光方向毎に光発生部による発光強度の設定値および受光素子の露光時間の設定値に基づいて制御される。発光強度の設定値および露光時間の設定値は、光走査手段による投光方向毎に、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調整される。

この場合、光発生部の発光強度の設定値が受光素子の露光時間の設定値よりも優先的に調整される。それにより、受光素子の露光時間が計測毎に大きく変動することが抑制される。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。

（２）制御手段は、発光強度の設定値を調整してもピークレベルを所定範囲に調整することができない場合において、発光強度の設定値に加えて露光時間の設定値を調整してもよい。

この場合、露光時間の設定値の最小限の調整によりピークレベルを所定範囲に調整することができる。それにより、露光時間の変動が最小限に抑制される。その結果、正確な計測結果を安定に得ることができる。

（３）制御手段は、さらに光走査手段による投光方向毎に波形データ生成部の増幅率の設定値に基づいて波形データ生成部の増幅率を制御し、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増幅率の設定値を調整してもよい。

この場合、波形データ生成部の増幅率を調整することにより、波形データのピークレベルを容易に調整することができる。

（４）制御手段は、増幅率の設定値を露光時間の設定値よりも優先的に調整してもよい。

この場合、露光時間の変動が抑制される。その結果、正確な計測結果を安定して得ることができる。

（５）制御手段は、発光強度の設定値を増幅率の設定値よりも優先的に調整してもよい。

この場合、波形データ生成部の増幅率が計測毎に大きく変動することが抑制される。そのため、増幅率を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、ノイズによる計測精度の低下を抑制することができる。

（６）集光スポットの位置は、対象物までの距離に応じて第１の方向に沿って変化し、受光素子の複数の画素は、第１の方向に沿って並ぶように配置され、第１の方向と直交する第２の方向における複数の画素の各々の長さは、第１の方向における複数の画素の各々の長さよりも大きくてもよい。

この場合、第１の方向における受光量分布を確実に得ることができるとともに、対象物の表面で往復走査される光の反射光を確実に受光することができる。また、複数の画素が２次元に配列される場合に比べて、迅速に計測を進めることが可能になる。

（７）第１の方向における複数の画素の各々の長さは、第２の方向における複数の画素の各々の長さの１０倍以上１０００倍以下倍以下であってもよい。

この場合、対象物からの反射光をより確実に受光しつつより高い精度で迅速に計測を進めることができる。

本発明によれば、受光素子の露光時間が計測毎に大きく変動することが抑制される。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。

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。 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。 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。 波形データの一例を示す模式図である。 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。 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。 受光素子の具体例を示す模式的平面図である。 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。 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。 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。

以下、本発明の一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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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）。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（８）他の実施の形態
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センサに限らず、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサ等の他の素子を用いることもできる。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。

（９）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。

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り、Ｘ方向が第１の方向の例であり、Ｙ１方向が第２の方向の例である。

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。

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。

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

Claims (7)

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で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する受光素子と、
   前記受光素子から出力される受光信号を増幅して波形データを生成する波形データ生成部と、
   前記光走査手段による投光方向毎に前記光発生部による発光強度の設定値および前記受光素子の露光時間の設定値に基づいて前記光発生部の発光強度および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発光強度の設定値および前記露光時間の設定値を調整する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記発光強度の設定値を前記露光時間の設定値よりも優先的に調整することを特徴とする光学式変位計。
2. 前記制御手段は、前記発光強度の設定値を調整しても前記ピークレベルを前記所定範囲に調整することができない場合において、前記発光強度の設定値に加えて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記載の光学式変位計。
3. 前記制御手段は、さらに前記光走査手段による投光方向毎に前記波形データ生成部の増幅率の設定値に基づいて前記波形データ生成部の増幅率を制御し、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増幅率の設定値を調整することを特徴とする請求項１または２記載の光学式変位計。
4. 前記制御手段は、前記増幅率の設定値を前記露光時間の設定値よりも優先的に調整することを特徴とする請求項３記載の光学式変位計。
5. 前記制御手段は、前記発光強度の設定値を前記増幅率の設定値よりも優先的に調整することを特徴とする請求項３または４記載の光学式変位計。
6. 前記集光スポットの位置は、対象物までの距離に応じて第１の方向に沿って変化し、
   前記受光素子の複数の画素は、前記第１の方向に沿って並ぶように配置され、
   前記第１の方向と直交する第２の方向における前記複数の画素の各々の長さは、前記第１の方向における前記複数の画素の各々の長さよりも大きい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。
7. 前記第２の方向における前記複数の画素の各々の長さは、前記第１の方向における前記複数の画素の各々の長さの１０倍以上１０００倍以下であることを特徴とする請求項６記載の光学式変位計。

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