JP2014190861A - Measurement device and measurement method for measuring position of surface to be detected - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検面の位置を計測する計測装置及び計測方法に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring the position of a test surface.
精密な機械加工や検査工程では、被検面の位置や変位をｎｍ〜μｍの精度で計測する必要があり、干渉計の原理を用いた計測装置が用いられることが多い。その中で、波長走査型の干渉計は、光源の波長を走査してこれに伴う干渉信号の時間変化を検出し、この信号の位相変化量又は周波数から干渉計の光路差を求める。 In precise machining and inspection processes, it is necessary to measure the position and displacement of the surface to be measured with an accuracy of nm to μm, and a measuring device using the principle of an interferometer is often used. Among them, the wavelength scanning type interferometer scans the wavelength of the light source, detects the time change of the interference signal accompanying this, and obtains the optical path difference of the interferometer from the phase change amount or frequency of this signal.
波長走査型の干渉計の光源として、構成が簡易かつ安価といった理由から、半導体レーザ（以下、「ＬＤ」という）が広く用いられる。ＬＤの波長を走査するために、ＬＤへ注入する電流量を変化させる方法がある。しかし、ＬＤへ注入する電流量を変化させると発振波長と共にＬＤから射出される光の強度も変わってしまい、検出される信号は、計測情報を有する干渉信号だけでなく、ＬＤから射出された光の強度変化成分をも含むものとなってしまう。 As a light source of a wavelength scanning interferometer, a semiconductor laser (hereinafter referred to as “LD”) is widely used because of its simple structure and low cost. In order to scan the wavelength of the LD, there is a method of changing the amount of current injected into the LD. However, if the amount of current injected into the LD is changed, the intensity of the light emitted from the LD changes with the oscillation wavelength, and the detected signal is not only the interference signal having measurement information but also the light emitted from the LD. It will also contain the intensity | strength change component.
特許文献１には、検出信号からＬＤから射出された光の強度変化成分を除去する方法が開示されている。この例では、ＬＤから射出された光を、干渉計へ入射する光束と、ＬＤからの射出光の強度を計測する為の光束とに分割し、干渉計からの出力信号を、計測されたＬＤからの射出光の強度で除算することで、ＬＤから射出された光の強度変化の影響を補正している。
背景技術の項で述べたとおり、波長走査型干渉計から出力される信号は、干渉信号と、ＬＤからの射出光の強度成分とを含む。ＬＤからの射出光の強度成分は、時間によらず強度が一定の直流成分と、ＬＤの波長の走査に伴って変動する強度変化成分との合計である。 As described in the background art section, the signal output from the wavelength scanning interferometer includes an interference signal and an intensity component of light emitted from the LD. The intensity component of the light emitted from the LD is the sum of a direct current component having a constant intensity regardless of time and an intensity changing component that varies with scanning of the wavelength of the LD.
更に、特許文献１では言及されていないが、受光素子で生じる暗電流や、アンプや除算回路で生じるオフセット成分も加わる。ここで、電気的なオフセットをＶｏｓで表す。特許文献１に記載の検出信号の補正方法は、検出信号、すなわち干渉信号とＬＤからの射出光の強度成分とＶｏｓとの総和をＬＤからの射出光の強度で除算する。
Furthermore, although not mentioned in
干渉信号の振幅は、ＬＤからの射出光の強度に対してある比率を持った大きさとなる。この比率をコントラストとすると、コントラストは、（干渉信号の最大振幅量／ＬＤからの射出光の強度）で定義される。よって、除算によって補正された後の信号は、（干渉信号／射出光の強度）と、大きさが１のオフセットと、（Ｖｏｓ／射出光の強度）と、を合わせたものとなる。ここで、（干渉信号／射出光の強度）を、除算補正干渉信号と呼ぶこととする。このとき、除算補正干渉信号の振幅は、コントラストと同程度の大きさとなる。また、大きさが１のオフセットは、射出光の強度成分を射出光の強度で割ることにより生じる。 The amplitude of the interference signal has a certain ratio with respect to the intensity of the light emitted from the LD. If this ratio is contrast, the contrast is defined by (maximum amplitude of interference signal / intensity of light emitted from LD). Therefore, the signal after correction by division is a combination of (interference signal / intensity of emitted light), an offset having a magnitude of 1, and (Vos / intensity of emitted light). Here, (interference signal / intensity of emitted light) is referred to as a division correction interference signal. At this time, the amplitude of the division correction interference signal is approximately the same as the contrast. An offset having a size of 1 is generated by dividing the intensity component of the emitted light by the intensity of the emitted light.
前記のように、除算による補正では、除算補正干渉信号の他に、大きさが１のオフセットと（Ｖｏｓ／射出光の強度）とが残ることとなる。この大きさが１のオフセットと（Ｖｏｓ／射出光の強度）とを合わせたものが、除算補正干渉信号よりも大きい場合には、Ａ／Ｄ変換器への入力電圧のうち、オフセットと（Ｖｏｓ／射出光の強度）との割合が高くなる。そして、除算補正干渉信号の割合が相対的に低くなる。 As described above, in the correction by division, in addition to the division correction interference signal, an offset of 1 and (Vos / intensity of emitted light) remain. When the sum of the offset of 1 and (Vos / emitted light intensity) is larger than the division correction interference signal, the offset and (Vos) of the input voltage to the A / D converter / Intensity of emitted light) is increased. And the ratio of the division correction interference signal becomes relatively low.
高精度に計測する為には、高分解能で計測することが必要である。そして、高分解能で計測する為には、干渉信号のＡ／Ｄ変換器での分解能が高いことが必要である。干渉信号のＡ／Ｄ変換器での分解能を高くする為には、Ａ／Ｄ変換器の入口において、干渉信号の電圧振幅を、Ａ／Ｄ変換器の入力電圧範囲付近まで増幅する必要がある。 In order to measure with high accuracy, it is necessary to measure with high resolution. In order to measure with high resolution, it is necessary that the resolution of the interference signal in the A / D converter is high. In order to increase the resolution of the interference signal in the A / D converter, it is necessary to amplify the voltage amplitude of the interference signal to the vicinity of the input voltage range of the A / D converter at the entrance of the A / D converter. .
しかしながら、従来技術の除算による補正方法では、先に述べたように、大きさが１のオフセットと（Ｖｏｓ／射出光の強度）とが残る。これらが除算補正干渉信号よりも大きいと、Ａ／Ｄ変換器へ入力される電圧のうち、除算補正干渉信号の電圧の割合が低くなる。すると、除算補正干渉信号のＡ／Ｄ変換器での分解能は低下する為、計測精度が低下する。この課題は、高いビット数を持つＡ／Ｄ変換器を用いれば、分解能が向上することにより改善されるが、通常Ａ／Ｄ変換器はビット数が高いほど高価になるため、製品コストの増加に繋がる。 However, in the correction method using division according to the prior art, as described above, the offset of 1 and (Vos / intensity of emitted light) remain. If these are larger than the division correction interference signal, the ratio of the voltage of the division correction interference signal in the voltage input to the A / D converter becomes low. Then, since the resolution of the division correction interference signal in the A / D converter is lowered, the measurement accuracy is lowered. This problem can be improved by improving the resolution if an A / D converter having a high number of bits is used. However, the higher the number of bits, the higher the cost of the A / D converter. It leads to.
本発明は、被検面の位置を高精度に計測するための技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique for measuring the position of a to-be-tested surface with high precision.
本発明の１つの側面は、被検面の位置を計測する計測装置であって、光源と、前記光源に流す電流量を周期的に変化させることによって前記光源から射出される光の波長を周期的に走査する波長走査部と、前記光源から射出されて参照面および前記被検面でそれぞれ反射された反射光の干渉光を検出する検出部と、前記干渉光の検出信号を処理して前記被検面の位置を示すデータを生成する処理部と、を備え、前記処理部は、前記電流量の周期的な変化に伴って強度が周期的に変化する前記光源から射出される光の強度信号を前記検出信号から減算することによって前記検出信号を補正し、該補正された検出信号に基づいて前記被検面の位置を示すデータを生成する、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention is a measuring device that measures the position of a test surface, and periodically changes the wavelength of light emitted from the light source by periodically changing the amount of current flowing through the light source and the light source. A wavelength scanning unit for scanning automatically, a detection unit for detecting interference light of reflected light emitted from the light source and reflected by the reference surface and the test surface, and processing the detection signal of the interference light, An intensity of light emitted from the light source, the intensity of which periodically changes with a periodic change of the current amount. The detection signal is corrected by subtracting a signal from the detection signal, and data indicating the position of the test surface is generated based on the corrected detection signal.
本発明によれば、被検面の位置を高精度に計測するための技術を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a technique for measuring the position of the test surface with high accuracy.
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態を、図１に基づいて説明する。波長走査部１１は、干渉計２００の光源である半導体レーザ（ＬＤ）１へ電流を注入する。ＬＤ１から射出される光の波長走査は、ＬＤ１に流す電流量を周期的に変化させることにより行われる。ＬＤ１は、注入される電流量が周期的に変化すると、それに伴い光強度が周期的に変化するという特性を持つ。その為、波長走査を電流量の変化により行うと、同時に光強度の変化が生じることとなる。なお、光強度は、時間によらず強度が一定の直流成分と、波長走査に伴い強度が周期的に変化する強度変化成分との合計である。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The
ＬＤ１より射出されるレーザ光束は、干渉計２００へと導入される。干渉計２００へ導入されたレーザ光束は、ビームスプリッタ２１により、被検面２４へ向かう光束と、参照面２５へと向かう光束とに分割される。ビームスプリッタ２１を通過した光束は、それぞれ１／４波長板２２、２３を通過し、被検面２４及び参照面２５へ入射し、反射される。ここで、被検面２４からの反射光を被検光、参照面２５からの反射光を参照光と呼ぶ。被検光及び参照光は、それぞれ１／４波長板２２、２３を再び通過する。
The laser beam emitted from the
それぞれの光束が１／４波長板を２度通過するので、最初にビームスプリッタ２１を通過したときに対し、偏光状態は１８０度変わる。その為、最初にビームスプリッタ２１を反射した光束（被検光）は、ビームスプリッタ２１を透過する。逆に、最初にビームスプリッタ２１を透過した光束（参照光）は、ビームスプリッタ２１で反射される。よって、どちらも図中の右側へと向かう光束となり、被検光と参照光とは干渉する。この様にして、被検面２４の位置に応じた干渉光が得られる。なお、ここでは干渉計２００として、マイケルソン型の干渉計を例に挙げたが、それに限定されるわけではなく、その他の方式の干渉計であってもよい。
Since each light beam passes through the quarter-wave plate twice, the polarization state changes by 180 degrees compared to when it first passes through the
干渉計２００から出力される光には、被検面２４の位置情報を持つ干渉光成分だけでなく、ＬＤ１から射出された光の強度成分を含むこととなる。干渉光と光強度成分は、光電変換部３００へ導入される。光電変換部３００へ導入された干渉光と光強度成分は、まず受光素子３１に入射し、その強度に応じた電流へと変換される。受光素子３１としては、例えば、フォトダイオードなどを用いることができる。
The light output from the
受光素子３１により電流へと変換された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路（光電変換回路）３２により電圧へと変換され、信号処理部１００へと送られる。光電変換部３００は、被検面２４および参照面２５でそれぞれ反射された反射光の干渉光を検出して、干渉光の検出信号を出力する検出部を構成している。このとき、電圧信号には、干渉光と光強度成分を表す電圧に加え、受光素子３１で生じる暗電流やＩ−Ｖ変換回路３２で生じるオフセット成分をも含むこととなる。ここで、これら電気的なオフセット成分をＶｏｓと呼ぶ。光強度成分を表す電圧信号は、強度が周期的に変化する光の強度信号である。
The detection signal converted into a current by the
電圧に変換された検出信号はまず、Ａ／Ｄ変換器１２により、アナログ信号からデジタル信号へと変換される。デジタル信号は、演算部１３へ伝送され、アルゴリズムに従って処理され、被検面２４の位置を示すデータが生成される。演算部としては、例えば、信号処理部１００のＣＰＵを用いることができる。生成されたデータは、表示部４により、計測結果として表示される。ここで同時に、演算部１３は、デジタル信号に含まれる強度成分とＶｏｓとを求め、補正信号生成部４００へそのデータを出力する。
The detection signal converted into a voltage is first converted from an analog signal into a digital signal by the A /
光強度成分とＶｏｓとは、例えば、検出信号の強度を干渉信号の周期と同じ区間で移動平均することによって取得される。補正信号生成部４００は、演算部１３より送られたデータを基に、光強度成分とＶｏｓとを合わせた電圧と同じ大きさの補正信号を生成する。補正信号生成部４００は、例えば、演算部１３から送られたデジタル信号を、Ｄ／Ａ変換器４１によりアナログ信号へと変換し、アンプ（増幅部）４２により増幅することで補正信号を生成することができる。
The light intensity component and Vos are acquired, for example, by moving and averaging the intensity of the detection signal in the same section as the period of the interference signal. The correction
光強度成分除去部２は、Ｉ−Ｖ変換回路３２から出力される電圧信号から、補正信号を減算することで、ＬＤ出力光強度成分とＶｏｓとを除く事ができる。なお、ＬＤ出力光強度成分は、前述の通り、波長走査部１１によるＬＤ１への注入電流量の変化に伴い変化する為、光強度成分の変化と注入電流量の変化は、時間的に相関を持つ。
The light intensity
そこで、電圧信号から補正信号を減算するタイミングを、波長走査部１１のＬＤ１への注入電流量を変化させるタイミングと同期を取ることで、減算処理の時間ずれを防ぐことができる。ただし、それぞれの電気的な経路差などによる信号伝達の時間遅れを補正する必要はある。光強度成分およびＶｏｓを除去した、補正後の検出信号すなわち干渉信号が、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲よりも小さい場合には、アンプ３ａにより増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１２へと入力する。
Therefore, by synchronizing the timing at which the correction signal is subtracted from the voltage signal with the timing at which the amount of current injected into the
このようにして、干渉信号の電圧をＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲に近い大きさにすることができ、干渉信号の分解能を向上することができる。そして、分解能の向上に伴い、計測精度も向上される。
In this way, the voltage of the interference signal can be made close to the input voltage range of the A /
次に、従来技術との比較について式を用いて説明する。干渉信号をＡ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）、光強度成分（強度信号）をＭ（ｔ）とする。そうすると、光電変換部３００から出力される電圧信号（検出信号）の強度Ｖ（ｔ）は、以下の式１で表される。なお、Ａ（ｔ）は干渉信号の振幅、ωは干渉信号の角周波数、φは干渉信号の初期位相、ｔは時間である。
Next, comparison with the prior art will be described using equations. The interference signal is A (t) · sin (ωt + φ), and the light intensity component (intensity signal) is M (t). Then, the intensity V (t) of the voltage signal (detection signal) output from the
Ｖ（ｔ）＝Ａ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＋Ｍ（ｔ）＋Ｖｏｓ・・・（１）
なお、Ａ（ｔ）は以下の式２で表される。
V (t) = A (t) · sin (ωt + φ) + M (t) + Vos (1)
A (t) is expressed by the following
Ａ（ｔ）＝Ｍ（ｔ）・ｃｏｎ・・・（２）
ここで、ｃｏｎは、以下の式３によって定義されている、干渉信号のコントラストである。
A (t) = M (t) · con (2)
Here, con is the contrast of the interference signal defined by the following Equation 3.
ｃｏｎ＝（干渉信号ＭＡＸ−干渉信号ＭＩＮ）／（干渉信号ＭＡＸ＋干渉信号ＭＩＮ）・・・（３）
干渉信号は、光強度成分を中心電圧としたｓｉｎ波である。よって、干渉信号ＭＡＸは、光強度成分Ｍ（ｔ）と干渉信号の振幅Ａ（ｔ）とを足した値となる。また、干渉信号ＭＩＮは、光強度成分Ｍ（ｔ）から干渉信号の振幅Ａ（Ｔ）を引いた値となる。式１をＭ(t)で除算する従来の補正技術を行うと、式４が得られる。
con = (interference signal MAX−interference signal MIN) / (interference signal MAX + interference signal MIN) (3)
The interference signal is a sine wave having a light intensity component as a center voltage. Therefore, the interference signal MAX is a value obtained by adding the light intensity component M (t) and the amplitude A (t) of the interference signal. Further, the interference signal MIN is a value obtained by subtracting the amplitude A (T) of the interference signal from the light intensity component M (t). When the conventional correction technique of dividing
Ｖ（ｔ）／Ｍ（ｔ）＝ｃｏｎ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＋１＋Ｖｏｓ／Ｍ（ｔ）・・・（４）
従来技術では、Ｖ（ｔ）をＭ（ｔ）で除算して補正を行うが、式４の右辺に示されるように、大きさ１のオフセットとＶｏｓ／（Ｍ（ｔ）とが補正結果に生じる。
V (t) / M (t) = con · sin (ωt + φ) + 1 + Vos / M (t) (4)
In the prior art, correction is performed by dividing V (t) by M (t). As shown in the right side of Equation 4, the offset of
本実施形態では、式１から｛Ｍ（ｔ）＋Ｖｏｓ｝を減算する補正を行う。そうすると、式１は式５のようになる。
In the present embodiment, correction is performed by subtracting {M (t) + Vos} from
Ｖ（ｔ）−｛Ｍ（ｔ）＋Ｖｏｓ｝＝Ａ（ｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）・・・（５）
よって、Ａ（ｔ）＜｛１＋Ｖｏｓ／Ｍ（ｔ）｝の場合に、従来技術の除算処理よりも第１実施形態の減算処理の方が、Ａ／Ｄ変換器１２へ入力する干渉信号の電圧を大きくすることができ、干渉信号の分解能を上げることが可能となる。
V (t) − {M (t) + Vos} = A (t) · sin (ωt + φ) (5)
Therefore, when A (t) <{1 + Vos / M (t)}, the voltage of the interference signal input to the A /
次に図２〜６を用いて、本実施形態による信号補正効果についての具体的なシミュレーション結果を説明する。図２は、電圧変換後の光強度成分を表しており、縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は時間［μｓ］を示している。ここでは電圧変換後の光強度成分を仮に底辺０．２Ｖ、上辺０.４Ｖで、周波数２５ｋＨｚの台形波とする。なお、この電圧値はＬＤ１へ注入する電流量と比例関係にあり、すなわちＬＤ１から射出される光の波長と比例関係にある。 Next, specific simulation results regarding the signal correction effect according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows light intensity components after voltage conversion, where the vertical axis indicates voltage [V] and the horizontal axis indicates time [μs]. Here, the light intensity component after voltage conversion is assumed to be a trapezoidal wave having a base of 0.2 V, an upper side of 0.4 V, and a frequency of 25 kHz. This voltage value is proportional to the amount of current injected into LD1, that is, proportional to the wavelength of light emitted from LD1.
図３は、干渉信号の交流（ＡＣ）成分を表している。これは、図２の光強度成分に対する、干渉信号のコントラストが０.１（１０％）で、周波数が５００ｋＨｚと仮定したときの、電圧変換後の波形である。縦軸は電圧［Ｖ］、横軸［μｓ］は時間を示している。この例では、波長走査に伴い、０.０４Ｖｐｐから０.０８Ｖｐｐの間で全振幅が変化する。 FIG. 3 represents the alternating current (AC) component of the interference signal. This is a waveform after voltage conversion when it is assumed that the contrast of the interference signal is 0.1 (10%) and the frequency is 500 kHz with respect to the light intensity component of FIG. The vertical axis represents voltage [V], and the horizontal axis [μs] represents time. In this example, the total amplitude changes between 0.04 Vpp and 0.08 Vpp with wavelength scanning.
これまでに述べたように、光電変換部３００から出力される電圧には、図２の光強度成分と図３の干渉信号とに加え、電気的なオフセットであるＶｏｓが加わる。ここで、Ｖｏｓを０.１Ｖと仮定する。
As described above, the voltage output from the
図４は、光電変換部３００から出力される、図２の光強度成分と、図３の干渉信号と、Ｖｏｓとを合わせたものを、増倍した波形である。縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は時間［μｓ］を示す。この増倍は、光電変換部３００から出力される電圧の最大値が、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲の最大値となるように、かけられる。
FIG. 4 is a waveform obtained by multiplying the light intensity component of FIG. 2, the interference signal of FIG. 3, and Vos output from the
仮に、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲を２Ｖｐｐとする。その為、光電変換部３００の出力電圧の最大値が２Ｖとなるように、３.７倍（＝２／（０.４＋０.０４＋０.１））の増倍をかけている。このとき、電圧は、１.０４Ｖから２Ｖの間の大きさを持ち、その範囲は０.９６Ｖとなる。この内、干渉信号の全振幅は、最小で０.１５Ｖｐｐ（＝０.０４Ｖｐｐ×３.７倍）となる。よって、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲に対する干渉信号の占める割合は、最小時には７.５％（＝０.１５／２）にすぎない。
Suppose that the input voltage range of the A /
第１実施形態では、光強度成分およびＶｏｓの減算による補正を行う。そうすると、光電変換部３００から出力される図４の電圧から、図２の光強度成分と、Ｖｏｓとが取り除かれる為、補正後の信号は、図３の干渉信号と同じものとなる。
In the first embodiment, correction is performed by subtracting the light intensity component and Vos. Then, the light intensity component of FIG. 2 and Vos are removed from the voltage of FIG. 4 output from the
図５は、補正後の検出信号（干渉信号）の最大全振幅（０.０８Ｖｐｐ）が、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲（２Ｖｐｐ）になるように、２５倍（＝２／０.０８）増倍した波形である。縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は時間［μｓ］を示す。このとき、干渉信号の全振幅は、最小で１Ｖｐｐとなる。よって、第１実施形態による補正では、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲に対する干渉信号の占める割合は、最小時でも５０％（＝１／２）となる。このように、第１実施形態で減算による補正を行うと、補正をしない場合に比べ、干渉信号電圧をＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲に近い大きさにすることができ、干渉信号の分解能を上げることができる。
FIG. 5 shows that the maximum total amplitude (0.08 Vpp) of the detection signal (interference signal) after correction is 25 times (= 2 / 0.0.2) so that the input voltage range (2 Vpp) of the A /
さらに第１実施形態と従来技術とを比較する。図６は、光電変換部３００から出力される電圧を、従来技術の補正方法に従い、図２の光強度成分で除算したものを、増倍した波形である。縦軸は電圧［Ｖ］、横軸は時間［μｓ］を示す。増倍率は、１.２５倍である。この時、電圧は、１.４４Ｖから２Ｖの間の大きさを持ち、その範囲は０.５６Ｖとなる。図６の波形で、１０μｓから４０μｓの間で、信号のオフセットが変化しているのは、式４の（Ｖｏｓ／Ｍ（ｔ））の影響による。
Furthermore, the first embodiment is compared with the prior art. FIG. 6 is a waveform obtained by multiplying the voltage output from the
除算補正を行なうと、式４に示すように、干渉信号の振幅は、干渉信号のコントラストと同じになる。そのため、この図６での干渉信号の振幅は、干渉信号のコントラストに増倍率をかけたものとなる。ここでは、干渉信号のコントラストを０.１（１０％）としているため、干渉信号の全振幅は、０.２５Ｖｐｐ（＝０.１×１.２５×２）となる。よって、除算補正後の、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲に対する干渉信号の占める割合は、１２.５％（＝０.２５／２）となる。
When division correction is performed, the amplitude of the interference signal becomes the same as the contrast of the interference signal, as shown in Equation 4. Therefore, the amplitude of the interference signal in FIG. 6 is obtained by multiplying the contrast of the interference signal by a multiplication factor. Here, since the contrast of the interference signal is 0.1 (10%), the total amplitude of the interference signal is 0.25 Vpp (= 0.1 × 1.25 × 2). Therefore, the ratio of the interference signal to the input voltage range of the A /
これに対して、第１実施形態の減算補正によると、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲に対する干渉信号の占める割合は、最小時で５０％である。このように、第１実施形態の減算による補正は、従来技術の除算による補正と比べても、よりＡ／Ｄ変換器へ入力する干渉信号電圧を上げることができる。以上のように、第１実施形態によれば、干渉信号から、ＬＤ１へ注入される電流量の変化により変動する光強度成分及び電気的なオフセットを除去し、干渉信号の分解能を上げ、高精度な計測を可能とすることができる。なお、従来技術の除算による補正は、減算処理よりも計算量が多く計算負荷が高く、高価で高機能なプロセッサが必要である。
On the other hand, according to the subtraction correction of the first embodiment, the ratio of the interference signal to the input voltage range of the A /
なお、第１実施形態では、光電変換部３００から出力される信号から、光強度成分とＶｏｓとの合計と同じ大きさで同相の電圧とを、減算することで補正を行っている。しかし、光強度成分とＶｏｓとの合計と同じ大きさで逆相の電圧を加算することで減算処理を行ってもよい。第１実施形態では、光強度成分をアナログ的に除去する処理をしている。
Note that in the first embodiment, correction is performed by subtracting the same-phase voltage having the same magnitude as the sum of the light intensity component and Vos from the signal output from the
〔第２実施形態〕
次に、図７に基づいて第２実施形態を説明する。第１実施形態と同じ構成には、同じ番号を付け、その説明を割愛する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、補正後の干渉信号を増倍するアンプとして、利得調整機能を有するアンプ３ｂを用いる点である。この利得調整機能を有するアンプ３ｂは、干渉信号の振幅を正規化してＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲と同じ大きさでほぼ一定とする為に用いられる。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described based on FIG. The same components as those in the first embodiment are given the same numbers, and the description thereof is omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in that an amplifier 3b having a gain adjustment function is used as an amplifier for multiplying the corrected interference signal. The amplifier 3b having the gain adjustment function is used to normalize the amplitude of the interference signal and make it substantially the same as the input voltage range of the A /
利得調整機能を有するアンプ３ｂとしては、例えば、テキサス・インスツルメンツ社やアナログ・デバイセズ社などの半導体デバイスメーカが製造している、可変ゲインアンプを用いることができる。この利得調整機能を有するアンプ３ｂは、演算部１３より、増倍率を調整する為の信号を入力される。増倍率を調整する為の信号は、干渉信号の振幅がＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲と同じになるような増倍率を指定する。
As the amplifier 3b having the gain adjustment function, for example, a variable gain amplifier manufactured by a semiconductor device manufacturer such as Texas Instruments or Analog Devices can be used. The amplifier 3b having the gain adjusting function receives a signal for adjusting the multiplication factor from the
演算部１３は、信号波形のピークツピーク値を取得し、取得されたピークツピーク値がＡ／Ｄ変換器１２に入力される電圧範囲と同じとなるような増倍率を設定する。例えば以下の様にして、演算部１３は、増倍率を調整する為の信号を生成する。演算部１３は、干渉信号に対する、周期毎の二乗平均平方根を求める。そして、演算部１３は、求めた二乗平均平方根値を、√２倍することで、干渉信号の片振幅の大きさを求める。
The
この、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲を、干渉信号の片振幅の２倍したもの（すなわち、干渉信号の全振幅）で割った値が、干渉信号の振幅がＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲と同じになる増倍率となる。増倍率を調整する為の信号は、利得調整機能を有するアンプ３ｂへとフィードバックされる。そして、利得調整機能を有するアンプ３ｂは、増倍率を調整する為の信号を基に、自身の増倍率を変化させる。以上のようにして、干渉信号振幅は、利得調整機能を有するアンプ３ｂにより、干渉信号振幅がＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲と同じ大きさで、ほぼ一定となる。
The value obtained by dividing the input voltage range of the A /
図８は、第２実施形態に基づき、信号振幅がＡ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲と同じ大きさで、ほぼ一定となるように、利得調整機能を有するアンプ３ｂの増倍率を変化させた時の、Ａ／Ｄ変換器１２へ入力する干渉信号をシミュレーションした波形である。図８より、干渉信号全振幅が、Ａ／Ｄ変換器１２の入力電圧範囲と仮定した２Ｖｐｐと、ほぼ同じ電圧で、ほぼ一定となっていることが分かる。
FIG. 8 shows that the gain of the amplifier 3b having the gain adjustment function is changed so that the signal amplitude is substantially the same as the input voltage range of the A /
従って、第２実施形態によれば、利得調整機能を有するアンプ３ｂを用いることで、干渉信号振幅がＡ／Ｄ変換器の入力電圧範囲と同じ大きさで、ほぼ一定とすることができる。それにより、干渉信号の分解能を上げ、高精度な計測を可能とすることができる。 Therefore, according to the second embodiment, by using the amplifier 3b having the gain adjustment function, the interference signal amplitude can be made substantially constant with the same magnitude as the input voltage range of the A / D converter. Thereby, the resolution of the interference signal can be increased and high-precision measurement can be performed.
〔第３実施形態〕
次に、図９に基づいて第３実施形態を説明する。第１、第２実施形態と同じ構成には、同じ番号を付け、その説明を割愛する。第３実施形態では、ＬＤ１へ注入する電流量とＬＤ１から射出される光の強度との相関に基づいて、補正信号を生成することを特徴とする。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described based on FIG. The same components as those in the first and second embodiments are given the same numbers, and the description thereof is omitted. The third embodiment is characterized in that a correction signal is generated based on the correlation between the amount of current injected into the
前述したように、ＬＤ１の波長走査は、ＬＤ１へ注入する電流量を変化させることで行う。そして、ＬＤ１から射出される光の強度は、ＬＤ１へ注入される電流量の変化に伴い変動する。前記のように、光強度は、注入電流量と相関を持つ。そして、通常ＬＤを使用する範囲では、光強度は注入電流量と比例する。よって、前記比例関係を基に、注入電流量から直接補正信号を生成することができる。具体的には、図９のように、補正信号生成部４００としてＩ−Ｖ変換アンプ４３を用い、ＬＤ１への注入電流を電圧へと変換し、かつ大きさが光強度と同程度となるように増倍をかけることで、補正信号を生成する。
As described above, the wavelength scanning of the
そして、光電変換部３００から出力される信号から補正信号を減算することで、注入電流量の変化により変動する光強度成分及び電気的なオフセットを除去し、干渉信号の分解能を上げ、高精度な計測を可能とすることができる。
Then, by subtracting the correction signal from the signal output from the
第１実施形態と比べ、第３実施形態では、演算部１３で光強度成分を計算し、補正信号生成部４００へフィードバックする処理が必要なくなるため、演算部１３での計算が簡便になる利点がある。また、第１実施形態では、光強度成分を計算するために、計算処理にかかる時間分、補正信号の生成が遅れるため、それだけ補正信号の減算するタイミングが遅れる。これに対して、第３実施形態では、このような計算処理が無いので、計算処理により生じる時間遅れが無い。更に、第３実施形態では、補正信号生成部４００にＤ／Ａ変換器４１が必要なくなるため、構成が簡便かつ安価になる利点もある。
Compared to the first embodiment, in the third embodiment, there is no need to calculate the light intensity component in the
〔第４実施形態〕
次に、図１０に基づいて第４実施形態を説明する。第１〜第３実施形態と同じ構成には、同じ番号を付け、その説明を割愛する。第４実施形態では、デジタル的に補正を行うことを特徴とする。第４実施形態での補正信号生成部を、デジタル補正信号生成部１４とする。また、第４実施形態での光強度成分除去部を、デジタル光強度成分除去部１５とする。これら、デジタル補正信号生成部１４と、デジタル光強度成分除去部１５は、図１０のように、Ａ／Ｄ変換器１２の後段に設けられる。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described based on FIG. The same components as those in the first to third embodiments are given the same numbers, and the description thereof is omitted. The fourth embodiment is characterized in that correction is performed digitally. The correction signal generation unit in the fourth embodiment is a digital correction
第１実施形態でアナログ的に行われていた、補正信号の生成及び減算による光強度成分の除去を、第４実施形態では、デジタル化された検出信号に対して、デジタル的に行う。第１実施形態と比べ、第４実施形態では、アナログ回路で構成される、補正信号生成部４００及び光強度成分除去部２を必要としないため、構成が簡便かつ安価になるという利点がある。
In the fourth embodiment, the removal of the light intensity component by the generation and subtraction of the correction signal, which is performed in an analog manner in the first embodiment, is performed digitally with respect to the digitized detection signal. Compared to the first embodiment, the fourth embodiment has an advantage that the configuration is simple and inexpensive because the correction
本発明の計測装置は、レンズ等の光学部材や、機械加工品の表面形状を計測するために使用可能である。 The measuring device of the present invention can be used for measuring the surface shape of an optical member such as a lens or a machined product.
Claims (8)
光源と、前記光源に流す電流量を周期的に変化させることによって前記光源から射出される光の波長を周期的に走査する波長走査部と、前記光源から射出されて参照面および前記被検面でそれぞれ反射された反射光の干渉光を検出する検出部と、前記干渉光の検出信号を処理して前記被検面の位置を示すデータを生成する処理部と、を備え、
前記処理部は、前記電流量の周期的な変化に伴って強度が周期的に変化する前記光源から射出される光の強度信号を前記検出信号から減算することによって前記検出信号を補正し、該補正された検出信号に基づいて前記被検面の位置を示すデータを生成する、ことを特徴とする計測装置。 A measuring device for measuring the position of a surface to be tested,
A light source, a wavelength scanning unit that periodically scans a wavelength of light emitted from the light source by periodically changing an amount of current flowing to the light source, a reference surface and the test surface emitted from the light source A detection unit for detecting the interference light of the reflected light respectively reflected in the, and a processing unit for processing the detection signal of the interference light to generate data indicating the position of the test surface,
The processing unit corrects the detection signal by subtracting, from the detection signal, an intensity signal of light emitted from the light source whose intensity periodically changes with a periodic change in the current amount, A measurement apparatus that generates data indicating the position of the test surface based on the corrected detection signal.
前記処理部は、前記アナログの強度信号によって補正されたアナログの検出信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器を含む、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。 The intensity signal is an analog signal;
6. The measurement apparatus according to claim 1, wherein the processing unit includes an A / D converter that digitizes an analog detection signal corrected by the analog intensity signal. 7. .
前記処理部は、前記検出部から出力されたアナログの検出信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器を含み、該デジタル化された検出信号を前記デジタルの強度信号によって補正する、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測装置。 The intensity signal is a digital signal;
The processing unit includes an A / D converter that digitizes an analog detection signal output from the detection unit, and corrects the digitized detection signal with the digital intensity signal. The measuring device according to any one of claims 1 to 5.
前記計測装置は、光源と、前記光源に流す電流量を周期的に変化させることによって前記光源から射出される光の波長を周期的に走査する波長走査部と、前記光源から射出されて参照面および前記被検面でそれぞれ反射された反射光の干渉光を検出する検出部と、前記干渉光の検出信号を処理して前記被検面の位置を示すデータを生成する処理部と、を備え、
前記計測方法は、
前記電流量の周期的な変化に伴って強度が周期的に変化する前記光の強度信号を前記検出信号から減算することによって前記検出信号を補正する工程と、
前記補正された検出信号に基づいて前記被検面の位置を示すデータを生成する工程と、
を含む、ことを特徴とする計測方法。 A measurement method for measuring the position of a test surface using a measurement device,
The measuring device includes a light source, a wavelength scanning unit that periodically scans a wavelength of light emitted from the light source by periodically changing an amount of current flowing through the light source, and a reference surface emitted from the light source. And a detection unit that detects interference light of the reflected light respectively reflected by the test surface, and a processing unit that processes the detection signal of the interference light and generates data indicating the position of the test surface. ,
The measurement method is:
Correcting the detection signal by subtracting from the detection signal an intensity signal of the light whose intensity periodically changes with a periodic change in the amount of current;
Generating data indicating the position of the test surface based on the corrected detection signal;
A measuring method characterized by comprising.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2013067125A JP2014190861A (en) | 2013-03-27 | 2013-03-27 | Measurement device and measurement method for measuring position of surface to be detected |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2019076945A (en) * | 2017-10-26 | 2019-05-23 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Lase welding device and laser welding method |
| JP2019206035A (en) * | 2019-08-14 | 2019-12-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Laser welding device and laser welding method |
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- 2013-03-27 JP JP2013067125A patent/JP2014190861A/en active Pending
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