JP4213599B2

JP4213599B2 - 光学式計測方法および装置

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Publication number: JP4213599B2
Application number: JP2004020041A
Authority: JP
Inventors: 拓也上原; 徳康小林; 哲夫山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005214721A

Description

本発明は、光を用いて計測対象までの距離や計測対象の形状等を計測する光学式計測方法および装置に関する。

本願の出願人はさきに、光源としてレーザ装置を用い、そのレーザ装置のレーザ光を照射ヘッドにより照射対象に対して照射したときの戻り光の強度変化を計測することで焦点ずれを検知すると共に、照射対象と照射ヘッドとの距離または角度を計測する機能を備えたレーザ光照射装置に関する発明を特許出願した（下記特許文献１）。

上記出願に係るレーザ光照射装置は、レーザ光を集光して照射対象に照射するための集光レンズを有する照射ヘッドと、この照射ヘッド内の集光レンズを光軸方向に微細振幅で振動させる振動機構と、照射ヘッドから照射対象に対してレーザ光を照射したときの戻り光を検知する受光素子と、この受光素子にて検知された戻り光の強度を検出する光強度検出手段と、この光強度検出手段によって検出された戻り光強度を同期検波し、振動機構によって集光レンズを振動させたときの応答特性から焦点位置を検出する制御手段とを具備して構成される。

このような構成のレーザ光照射装置によれば、光源から発振されたレーザ光は、例えば光ファイバなどの伝送路を介して照射ヘッドに与えられ、照射ヘッド内の集光レンズによって集光された後、照射対象に照射される。また、照射対象からの戻り光は、例えばフォトダイオードからなる受光素子にて検知され、その戻り光の強度が光強度検出手段にて検知される。そして、例えばパーソナルコンピュータからなる制御手段によって、光強度検出手段によって検出された戻り光強度が同期検波され、振動機構によって集光レンズを振動させたときの応答特性から焦点位置が検出される。
特願２００３−０６７９０３号

上記レーザ光照射装置は、戻り光の強度波形と振動機構の応答特性との関係から焦点位置を検知することで、他の光源などからの不連続な外乱に対して強い焦点検知が可能となる。しかし焦点振動中心位置が合焦点となるべき位置よりある程度外れると、同期検波結果は離れた距離にかかわらず一定値になるため、それ以上の距離変化については検知できない。また、さらに大きく離れると光強度検出手段において光路長微細振動に起因する戻り光強度変化信号に比べ、光学的もしくは電気的外乱の割合が大きくなる（Ｓ／Ｎが小さくなる）ため同期検波の結果が正常な値を示さなくなる。これは照射ヘッドが照射対象に接触するなど装置の破損につながる可能性がある。

そこで本発明は、計測光の焦点位置を振動させて計測対象上の合焦点を探す光学式計測方法および装置において、焦点振動中心位置が合焦点位置から大きく離れているときにも焦点振動中心位置を合焦点位置に迅速に近づけることができ能率的で安全な光学式計測を行うことのできる光学式計測方法および装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、計測光を集光して計測対象に照射する照射ヘッドと、前記照射ヘッドから前記計測対象に前記計測光を照射したときの戻り光を検知する受光素子と、前記計測対象から前記受光素子までの光路長を周期的に変化させる周期的光路長変化装置と、前記受光素子から信号を受けて前記周期的光路長変化装置による光路長変化に起因する戻り光強度変化を検出する戻り光検出装置と、前記戻り光検出装置から出力される戻り光強度変化信号の同期検波演算を前記周期的光路長変化装置による周期的光路長変化の応答の基本周波数と２倍周波数について行い、同期検波されたそれぞれの戻り光強度の二乗平均値をしきい値と比較してしきい値に対する大小により異なる制御指令を出力する演算装置と、前記演算装置から制御指令を受けて前記照射ヘッドを光軸方向に駆動して前記計測光の焦点振動中心位置を前記計測対象上の合焦点に一致させる光路長補正装置とを有する構成とする。

請求項２の発明は、前記光路長補正装置は位置制御もしくはステップ制御が可能であり、前記演算装置は、前記同期検波の結果がしきい値未満の時には、前記光路長補正装置の動作ステップを粗く、しきい値以上では動作ステップを細かくする構成とする。

請求項３の発明は、前記二乗平均値がしきい値未満の時に、前記光路長補正装置を往復動作させることにより前記二乗平均値がしきい値以上となる領域を探査する構成とする。

請求項４の発明は、前記演算装置は、前記光路長補正装置の往復動作の動作幅を徐々に拡大させる構成とする。

請求項５の発明は、計測光の光路長さを周期的に変化させ焦点位置を振動させて計測対象上に合焦させる光学式計測方法において、前記計測光が前記計測対象に照射され反射した戻り光の強度変化を周期的な光路長変化の応答の基本周波数と２倍周波数で同期検波し、同期検波されたそれぞれの戻り光強度の二乗平均値をしきい値と比較してしきい値に対する大小により異なる光路長補正を行う構成とする。

本発明によれば、焦点振動中心位置が計測対象上の合焦点位置から大きく離れているときにも焦点振動中心位置を合焦点位置に迅速に近づけることができ能率的で安全な光学式計測を行うことのできる光学式計測方法および装置を提供することができる。

以下、本発明に係る光学式計測装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図６を参照して第１の実施の形態を説明する。本実施の形態の光学式計測装置の構成は図１に示すようになっている。ＨｅＮｅレーザ装置１を光源として用い、これにより発振された波長５９４ｎｍのレーザ光２（計測光）は、入射光学装置である入射レンズ１１により集光されて光ファイバ１０に入射され、照射ヘッド４に伝送される。光ファイバ１０から出たレーザ光は、照射ヘッド４内にある集光レンズのうちのコリメートレンズ６によりコリメートされた後に振動レンズ５により集光されて計測対象３に照射される。

ピエゾアクチュエータドライバ２０およびピエゾアクチュエータ７を用いた周期的光路長変化装置によって振動レンズ５を光軸方向に一定周期で振動させることにより周期的に光路長を変化させる。照射ヘッド４は固定部９に設けられた光路長補正装置としてのモータドライバ１９およびモータ８によって全体を光軸方向に前進後退動作させることができ、これにより計測対象３との距離を調整することができる。

計測対象３からの戻り光１３は照射時と同一経路を通り入射側に伝送され、レーザ装置１からのレーザ光２と計測対象３からの戻り光１３を分離することのできる光学装置としてのハーフミラー１２によって戻り光集光レンズ１４の側に導かれる。さらに外乱を排除するための分光装置であるバンドパスフィルタ１５によって波長５９４±５ｎｍの光のみが選択的に受光素子であるフォトダイオード１６に入射する。フォトダイオード１６によって検知された信号は戻り光検出装置１７により電圧信号に変換され演算装置であるパソコン１８に送られる。

パソコン１８では同期検波演算が行われ、その結果に基づいてモータ８を駆動するためにＰＩＤ制御演算を行い、モータドライバ１９に対して駆動指令を出力する。モータドライバ１９は指令値に従ってモータ８を駆動し、これにより計測対象３が合焦点位置となるように照射ヘッド４を制御する。そしてリニアセンサ２１とリニアセンサドライバ２２により照射ヘッド４の変位量を検出する。

フォトダイオード１６と戻り光検出装置１７によって検出される戻り光１３の強度は、図２に戻り光強度曲線２３ａとして示すように、照射ヘッド４の光学系によってレーザ光２が計測対象物３で合焦点となるとき最大値をとり、この状態に比べてレーザ光２の焦点位置が照射ヘッド４の側に近くても、逆に遠くてもその強度は低下する。このことから、ピエゾアクチェータ７を用いて振動レンズ５を振動させてレーザ光２の焦点位置を変動させることにより、戻り光強度にレーザ光２の焦点位置の振動に応じた変化を与えることができる。

焦点振動中心位置（周期的光路長変化の振動中心位置）が計測対象３より照射ヘッド４の側に近い（焦点が近い）場合には、図２の戻り光強度曲線２３ａの最大値より左側の単調増加の範囲で振動することになり、戻り光強度変化は、図３（ａ）の戻り光強度波形２３ｂのように振動レンズ応答波形２４と同じ周波数で位相も一致した波形として得られる。焦点振動中心位置が計測対象３より遠い（焦点が遠い）場合には図２の戻り光強度曲線２３ａの最大値より右側の単調減少の範囲で振動することになり、よって戻り光強度変化は図３（ｂ）の戻り光強度波形２３ｃのように振動レンズ応答波形２４に対して周波数は同じだが位相が１８０度のずれた波形として得られる。

焦点振動中心位置と計測対象３上の合焦点位置が一致している場合にはレンズの振動１周期の間に図２の戻り光強度曲線２３ａの最大値を２度通過することとなり、よって戻り光強度変化は図３（ｃ）の戻り光強度波形２３ｄのように振動レンズ応答波形２４の２倍の周波数を持つ波形として得られる。つまり戻り光強度の応答から振動レンズ５の応答成分を同期検波しその結果をもって焦点振動中心位置と合焦点位置とのずれを検知することができる。

ピエゾアクチュエータ７によって振動レンズ５を振動数ｆで振動させたときの応答を調和振動として１次近似した波形を基本波と呼び以下のように定義する。
基本波：Ｆ_１（ｔ）＝ｓｉｎ（２πｆｔ−δ）
ｆ：振動レンズ５の振動数，ｔ：時間，δ：位相遅れ
また、基本波の２倍の周波数をもち基本波が０クロスする時間に最大値をとる関数を２倍波と呼び以下のように定義する。
２倍波：Ｆ_２（ｔ）＝ｃｏｓ（２（２πｆｔ−δ））

まず戻り光検出装置１７からの信号にパソコン１８でハイパスフィルタをかけて変動成分（ＡＣ成分）のみを抽出し、次に周波数ｆより十分高い周波数成分を取り除くためにローパスフィルタをかけ、さらに抽出された戻り光強度信号の振幅を１にそろえる。ここでパソコン１８を同期検波装置として用い、戻り光強度から基本波成分と２倍波成分の応答を求める。

焦点振動中心位置に対する基本波成分および２倍波成分の応答は図４の曲線２５、および図５の曲線２６のように得られる。これによると戻り光基本波成分の符号から合焦点位置の方向を知ることができ、戻り光基本波成分が０でかつ２倍波成分が最大となる条件から焦点振動中心位置が合焦点と一致するためには照射ヘッドをどちらに動かせばよいかを知ることができる。この結果により、モータドライバ１９を制御し、焦点振動中心位置が合焦点と一致するようにモータ８を調整する。モータ８を駆動するためのＰＩＤ制御の演算は同期検波演算とともにパソコン１８によって行う。

パソコン１８の動作を図６に示す。すなわち動作ｏｐ１によって戻り光強度変化信号を取り込み、動作ｏｐ２において戻り光強度変化信号の振幅が１になるようにＡＧＣ（自動ゲイン制御）をかける。次に動作ｏｐ３において基本波および２倍波を同期検波し、その結果をそれぞれＡおよびＢとする。次に動作ｏｐ４においてＢと所定のしきい値との大きさを比較し、Ｂがしきい値よりも大きいときは動作ｏｐ５へ進んでモータドライバ１９に速度指令Ｖ＝ｇ×Ａを出力する。Ｂがしきい値よりも小さいときは動作ｏｐ６へ進んでモータドライバ１９に速度指令Ｖ＝Ｇ×Ａを出力する。ここでＧはｇより大とする。

すなわち、周期的光路長変化に伴う戻り光強度信号の振幅が１となるようにＡＧＣ処理をしたものを周期的光路長変化の基本波および２倍波について同期検波した値をそれぞれＡ，Ｂとする。ＡとＢはそれぞれ図４、図５に曲線２５，２６として示した応答をする。このとき−１≦Ａ≦１、０≦Ｂ≦１である。Ｂについて制御のためのしきい値を設けたことにより、Ｂ≧しきい値で制御ゲインｇ、Ｂ≦しきい値で制御ゲインＧとして、異なる制御ゲインを設定することが可能となる。そしてＧ＞ｇとすることにより、合焦点から大きくずれている状態では速い動作で合焦点に近づくが、合焦点に近い状態では動作を緩くすることができる。これにより迅速かつ発振のない光路長補正が可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の光学式計測装置の機器構成および動作は前記第１の実施の形態と同じであるがパソコン１８の動作が異なる。

図７は本実施の形態の光学式計測装置におけるパソコン１８の動作を説明する流れ図である。すなわち、動作ｏｐ４ａにおいて、戻り光強度を周期的光路長変化の基本波および２倍波について同期検波した結果であるＡおよびＢの二乗平均：√（Ａ²＋Ｂ²）をしきい値と比較する。

この二乗平均値は、照射ヘッド４が計測対象３に対して大きく離れた、もしくは近づいた状態で、戻り光強度検出信号レベルが低いため外乱が支配的な状態では小さい値となる。よって同期検波結果Ａ，Ｂそれぞれの値の安定度が低い状態でも効率的に、かつ装置の衝突による破損など危険性を防いで、安全な光路長補正が可能となる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の光学式計測装置の機器構成および動作は前記第１の実施の形態と同じであるがパソコン１８の動作は図８に示すようになる。

すなわち、動作ｏｐ４ａにおいて、戻り光強度を周期的光路長変化の基本波および２倍波について同期検波した結果であるＡおよびＢの二乗平均：√（Ａ²＋Ｂ²）をしきい値と比較する。

ＡおよびＢの二乗平均値がしきい値よりも大きいときは動作ｏｐ７へ行き、小さいときは動作ｏｐ８へ行く。ｏｐ７ではモータドライバ１９に位置指令Ｘ_ｎ＋１−Ｘ_ｎ＝ｓ×Ａ／|Ａ|を出力し、ｏｐ８では位置指令Ｘ_ｎ＋１−Ｘ_ｎ＝Ｓ×Ａ／|Ａ|を出力する。但しｓ≦Ｓである。ｏｐ９において位置の基準を移動後のものに更新する。

この実施の形態は光路長補正機構であるモータ８の制御をステップ制御にし、
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、と
√（Ａ²＋Ｂ²）≦しきい値、
の時の変位量をそれぞれｓ、Ｓ（ｓ＜Ｓ）とするものである。

これによると、光路長補正機構は位置制御となり、制御量にＡやＢの大きさを用いず、Ａの符号のみを用いることから、
√（Ａ²＋Ｂ²）≦しきい値、
で外乱によりＡの応答が安定していないときでも安定した制御が実現できる。
さらに、
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値
では精密な光路長補正が可能となる。

この実施の形態によれば、目標位置から大きくずれている状態では速い動作で目標値近傍に近づくが、目標値近傍では動作を緩くすることにより迅速かつ発振のない光路長補正が可能となる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の光学式計測装置の機器構成および動作は前記第１の実施の形態と同じであるがパソコン１８の動作は図９に示すようになる。

すなわち、動作ｏｐ４ａにおいて、戻り光強度を周期的光路長変化の基本波および２倍波について同期検波した結果であるＡおよびＢの二乗平均：√（Ａ²＋Ｂ²）をしきい値と比較する。
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、
のときはｏｐ５ａに移行し速度指令を出して合焦点となるべく光路長補正を行う。一方、
√（Ａ²＋Ｂ²）≦しきい値、では
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、
となる位置Ｘｎを探査するための探査シーケンスを行う（ｏｐ４ｂ以下）。

探査シーケンスでは、正方向に速度Ｃ（＞０）の動作指令を出す（ｏｐ１０）。もし正方向の動作限界Ｌｍａｘに達するまで
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、
を検出できなければ（ｏｐ４ｃ）、負方向に速度Ｃの動作指令を出す（ｏｐ１１）。この後、負方向の動作限界Ｌｍｉｎに達するまで（ｏｐ４ｄ）
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、
を検出できなければ、再度正方向の探査動作を繰り返す（ｏｐ１０，ｏｐ１１）。

このような光路長補正機構制御方法によれば、目標位置から大きくずれている状態では粗い動作幅で迅速に目標値近傍に近づき、目標値近傍では微細に動作することにより迅速かつ精密な光路長補正が可能となる。

（第５の実施の形態）
図１０は本実施の形態の光学式計測装置のパソコン１８の動作を示す流れ図である。
ｏｐ４ａにおいて√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、
のときは合焦点となるべく光路長補正を行う（ｏｐ７）。一方、
√（Ａ²＋Ｂ²）≦しきい値、では
√（Ａ²＋Ｂ²）≧しきい値、
となる位置Ｘｎを探査するための探査シーケンスを行い（ｏｐ４ｅ以下）、探査幅Ｄｎを徐々に大きくする。

探査シーケンスは直前の動作方向の逆方向にステップ動作する。仮に正方向にステップ量Ｄ_０＝０．１ｍｍ、探査ステップ量Ｓ＝０．２ｍｍとしたときの探査シーケンスのステップ量を以下に示す。
ＳＴＥＰ１：Ｄ_１＝−Ｄ_０−Ｓ＝−０．３
ＳＴＥＰ２：Ｄ_２＝−Ｄ_１＋Ｓ＝０．５
ＳＴＥＰ３：Ｄ_１＝−Ｄ_０−Ｓ＝−０．７
ＳＴＥＰ４：Ｄ_２＝−Ｄ_１＋Ｓ＝０．９
:
となる。

この実施の形態によれば、現在位置から徐々に探査範囲を広げていくことから、現在位置がしきい値のごく近傍にあった場合に無駄な動作を最小限にして探査することができる。
なお、第３〜第５の実施の形態における動作ｏｐ４ａは第１の実施の形態における動作ｏｐ４で置き換えてもよい。

本発明の光学式計測装置の構成を示す図。本発明の光学式計測装置において、レーザ光の焦点位置に対する戻り光強度の関係を示す曲線図。本発明の光学式計測装置において、振動レンズ応答波形と戻り光強度波形の関係を示し、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、焦点振動中心位置が計測対象より照射ヘッドに近い場合、遠い場合、および一致している場合を示す図。本発明の光学式計測装置において、レーザ光の焦点振動中心位置に対して振動レンズ応答の基本波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図。本発明の光学式計測装置において、レーザ光の焦点振動中心位置に対して振動レンズ応答の２倍波と戻り光強度変化を同期検波演算した結果を示す曲線図。本発明の第１の実施の形態の光学式計測装置における光路長補正動作を示す流れ図。本発明の第２の実施の形態の光学式計測装置における光路長補正動作を示す流れ図。本発明の第３の実施の形態の光学式計測装置における光路長補正動作を示す流れ図。本発明の第４の実施の形態の光学式計測装置における光路長補正動作を示す流れ図。本発明の第５の実施の形態の光学式計測装置における光路長補正動作を示す流れ図。

符号の説明

１…ＨｅＮｅレーザ装置、２…レーザ光（計測光）、３…計測対象、４…照射ヘッド、５…振動レンズ、６…コリメートレンズ、７…ピエゾアクチュエータ（周期的光路長変化装置）、８…モータ（光路長補正装置）、９…固定部、１０…光ファイバ、１１…入射レンズ、１２…ハーフミラー、１３…戻り光、１４…戻り光集光レンズ、１５…バンドパスフィルタ、１６…フォトダイオード（受光素子）、１７…戻り光検出装置、１８…パソコン（演算装置）、１９…モータドライバ（光路長補正装置）、２０…ピエゾアクチュエータ（周期的光路長変化装置）、２１…リニアセンサ、２２…リニアセンサドライバ、２３ａ…戻り光強度曲線、２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…戻り光強度波形、２４…振動レンズ応答波形、２５…戻り光基本波成分曲線、２６…戻り光２倍波成分曲線。

Claims

計測光を集光して計測対象に照射する照射ヘッドと、前記照射ヘッドから前記計測対象に前記計測光を照射したときの戻り光を検知する受光素子と、前記計測対象から前記受光素子までの光路長を周期的に変化させる周期的光路長変化装置と、前記受光素子から信号を受けて前記周期的光路長変化装置による光路長変化に起因する戻り光強度変化を検出する戻り光検出装置と、前記戻り光検出装置から出力される戻り光強度変化信号の同期検波演算を前記周期的光路長変化装置による周期的光路長変化の応答の基本周波数と２倍周波数について行い、同期検波されたそれぞれの戻り光強度の二乗平均値をしきい値と比較してしきい値に対する大小により異なる制御指令を出力する演算装置と、前記演算装置から制御指令を受けて前記照射ヘッドを光軸方向に駆動して前記計測光の焦点振動中心位置を前記計測対象上の合焦点に一致させる光路長補正装置とを有することを特徴とする光学式計測装置。
前記光路長補正装置は位置制御もしくはステップ制御が可能であり、前記演算装置は、前記同期検波の結果がしきい値未満の時には、前記光路長補正装置の動作ステップを粗く、しきい値以上では動作ステップを細かくすることを特徴とする請求項１に記載の光学式計測装置。
前記演算装置は、前記二乗平均値がしきい値未満の時に、前記光路長補正装置を往復動作させることにより前記二乗平均値がしきい値以上となる領域を探査することを特徴とする請求項１に記載の光学式計測装置。
前記演算装置は、前記光路長補正装置の往復動作の動作幅を徐々に拡大させることを特徴とする請求項３に記載の光学式計測装置。
計測光の光路長さを周期的に変化させ焦点位置を振動させて計測対象上に合焦させる光学式計測方法において、前記計測光が前記計測対象に照射され反射した戻り光の強度変化を周期的な光路長変化の応答の基本周波数と２倍周波数で同期検波し、同期検波されたそれぞれの戻り光強度の二乗平均値をしきい値と比較してしきい値に対する大小により異なる光路長補正を行うことを特徴とする光学式計測方法。