特許 7240937 光学式測定装置および光学式測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-08

(45)【発行日】2023-03-16

(54)【発明の名称】光学式測定装置および光学式測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/03 20060101AFI20230309BHJP

【ＦＩ】

G01B11/03 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019072408

(22)【出願日】2019-04-05

(65)【公開番号】P2020169934

(43)【公開日】2020-10-15

【審査請求日】2022-03-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100134511

【弁理士】

【氏名又は名称】八田 俊之

(72)【発明者】

【氏名】今泉 良一

(72)【発明者】

【氏名】谷口 一郎

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－２２６８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０８５９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０３５５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０３７４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０２９１３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定対象に対し、光軸が平行に移動する走査光を照射する照射装置と、
前記被測定対象を超えて到達する前記走査光に対して光電変換を行う受光素子と、
所定の時間範囲にわたって前記走査光の一部が前記被測定対象によって遮られる場合に、前記受光素子が出力する電気信号の時間変化から得られる電圧波形において、前記被測定対象によって前記走査光が遮られない場合の電圧値に対する第１エッジと、前記被測定対象によって前記走査光が遮られる場合の電圧値に対する第２エッジとから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算する演算部と、を備え、
前記被測定対象は、前記走査光の光軸および走査方向に対して直交する方向において段差を有し、
前記走査光の断面形状は、前記被測定対象の軸方向に長径を有し、前記走査方向に短径を有していることを特徴とする光学式測定装置。

【請求項2】

前記演算部は、前記第１エッジの中点と、前記第２エッジの中点とから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算することを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。

【請求項3】

前記走査光の断面形状における最大径は、３０μｍ以上、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式測定装置。

【請求項4】

前記走査光の断面形状は、前記走査光の走査方向においては前記所定の時間範囲に相当する距離よりも小さい径を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の光学式測定装置。

【請求項5】

前記走査光の断面形状は、前記長径が３０μｍ以上２ｍｍ以下であり、前記短径が前記段差の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の光学式測定装置。

【請求項6】

被測定対象に対し、光軸が平行に移動する走査光を照射装置から照射し、
前記被測定対象を超えて到達する前記走査光に対して受光素子で光電変換を行い、
所定の時間範囲にわたって前記走査光の一部が前記被測定対象によって遮られる場合に、前記受光素子が出力する電気信号の時間変化から得られる電圧波形において、前記被測定対象によって前記走査光が遮られない場合の電圧値に対する第１エッジと、前記被測定対象によって前記走査光が遮られる場合の電圧値に対する第２エッジとから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算し、
前記被測定対象は、前記走査光の光軸および走査方向に対して直交する方向において段差を有し、
前記走査光の断面形状は、前記被測定対象の軸方向に長径を有し、前記走査方向に短径を有している、ことを特徴とする光学式測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件は、光学式測定装置および光学式測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光学式測定装置が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。この光学式測定装置では、回転ミラーにより回転走査されたレーザビームをコリメートレンズによりコリメート光とし、コリメートレンズと集光レンズとの間に被測定対象を配置することで、被測定対象の外径を測定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０００－２７５０１５号公報

【文献】特開昭６３－３２３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような光学式測定装置を用いてクランクシャフトなどの段差の寸法を測定する場合、二つの電圧波形を取得するために２回の走査が必要となる。このような測定の場合、一般には、シャフト測定機や投影機等を用いることが有効であるが、光学式測定装置よりも大型かつ高額な装置であるため、導入には敷居が高いと考えられる。

【0005】

１つの側面では、本発明は、１回の走査で段差の寸法を測定することができる光学式測定装置および光学式測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

１つの態様では、本発明に係る光学式測定装置は、被測定対象に対し、光軸が平行に移動する走査光を照射する照射装置と、前記被測定対象を超えて到達する前記走査光に対して光電変換を行う受光素子と、所定の時間範囲にわたって前記走査光の一部が前記被測定対象によって遮られる場合に、前記受光素子が出力する電気信号の時間変化から得られる電圧波形において、前記被測定対象によって前記走査光が遮られない場合の電圧値に対する第１エッジと、前記被測定対象によって前記走査光が遮られる場合の電圧値に対する第２エッジとから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算する演算部と、を備え、前記被測定対象は、前記走査光の光軸および走査方向に対して直交する方向において段差を有し、前記走査光の断面形状は、前記被測定対象の軸方向に長径を有し、前記走査方向に短径を有していることを特徴とする。

【0007】

上記光学式測定装置において、前記演算装置は、前記第１エッジの中点と、前記第２エッジの中点とから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算してもよい。

【0008】

上記光学式測定装置において、前記走査光の断面形状における最大径を、３０μｍ以上、２ｍｍ以下としてもよい。

【0009】

上記光学式測定装置において、前記走査光の断面形状は、前記走査光の走査方向においては前記所定の時間範囲に相当する距離よりも小さい径を有していてもよい。

【0010】

上記光学式測定装置において、前記走査光の断面形状は、前記長径が３０μｍ以上２ｍｍ以下であり、前記短径が前記段差の寸法よりも小さくてもよい。

【0011】

他の態様では、本発明に係る光学式測定方法は、被測定対象に対し、光軸が平行に移動する走査光を照射装置から照射し、前記被測定対象を超えて到達する前記走査光に対して受光素子で光電変換を行い、所定の時間範囲にわたって前記走査光の一部が前記被測定対象によって遮られる場合に、前記受光素子が出力する電気信号の時間変化から得られる電圧波形において、前記被測定対象によって前記走査光が遮られない場合の電圧値に対する第１エッジと、前記被測定対象によって前記走査光が遮られる場合の電圧値に対する第２エッジとから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算し、前記被測定対象は、前記走査光の光軸および走査方向に対して直交する方向において段差を有し、前記走査光の断面形状は、前記被測定対象の軸方向に長径を有し、前記走査方向に短径を有している、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

１回の走査で段差の寸法を測定することができる光学式測定装置および光学式測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態に係る光学式測定装置の斜視図である。

【図2】光学式測定装置の構成を例示する概略図である。

【図3】（ａ）はクランクシャフトを例示する図であり、（ｂ）は２回の走査で段差寸法を測定する場合を例示する図である。

【図4】２回の走査で段差寸法を測定する場合を例示する図である。

【図5】１回の走査で段差寸法を測定する場合を例示する図である。

【図6】（ａ）～（ｃ）は電圧波形が三段階で推移する場合の電圧波形を例示する図である。

【図7】レーザ光の走査方向が段差ＬＤの端面に対して傾斜する場合を例示する図である。

【図8】レーザ光のビーム径を大きくする場合を例示する図である。

【図9】（ａ）および（ｂ）はレーザ光の断面形状を変更する場合を例示する図である。

【図10】（ａ）および（ｂ）はレーザ光の断面形状を変更する場合を例示する図である。

【図11】（ａ）および（ｂ）はレーザ光の断面形状を変更する場合を例示する図である。

【図12】（ａ）および（ｂ）はレーザ光の断面形状を変更する構成を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0015】

図１は、実施形態に係る光学式測定装置１００の斜視図である。図２は、光学式測定装置１００の構成を例示する概略図である。光学式測定装置１００は、レーザ光を一次元走査して被測定対象の寸法を測定するレーザ・スキャン・マイクロメータ（ＬＳＭ）であり、例えば、電子部品や機械部品の寸法測定、金属丸棒や光ファイバーの寸法測定などに利用される。以下の説明において、被測定対象Ｗに対するレーザ光の出射方向をＺ方向とし、被測定対象Ｗの軸方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。Ｙ方向は、レーザ光の走査方向と一致する。図１および図２で例示するように、光学式測定装置１００は、発光部１０、走査部２０、直線偏光板３０、受光部４０、演算部５０などを備える。

【0016】

発光部１０は、レーザ光源１１、レーザ制御回路１２、偏光装置１３等を備えている。レーザ光源１１は、半導体レーザ素子等により構成され、波長が例えば６５０ｎｍで、断面形状がほぼ円形若しくは楕円形の光束（レーザ光）を射出する。レーザ光源１１は、レーザ制御回路１２によって制御され、高速（例えば数ＭＨｚ～数十ＭＨｚ）でオンオフされる。偏光装置１３は、レーザ光源１１が射出したレーザ光を９０°偏光させる装置である。例えば、偏光装置１３は、レーザ制御回路１２の指示に従って、レーザ光にλ／２波長板を通過させない場合と、レーザ光にλ／２波長板を通過させる場合と、を切り替える。

【0017】

走査部２０は、反射ミラー２１、回転ミラー２２、モータ２３、モータ駆動回路２４、Ｆ－θレンズ２５、同期用受光素子２６等を備えている。反射ミラー２１は、レーザ光源１１から射出されたレーザ光を反射して回転ミラー２２に入射する。回転ミラー２２は、回転ミラー２２と同軸に配置されたモータ２３により回転し、反射ミラー２１を介して入射されたレーザ光を回転走査光に変換してＦ－θレンズ２５に入射する。具体的には、回転ミラー２２は、多角柱（図２では８角柱）の各側面がそれぞれ反射面を構成する回転多面鏡であり、モータ２３によって例えば５０００～２００００回転／分の速度で回転駆動される。回転ミラー２２は、自身の回転によって反射面に入射するレーザ光の反射角度を変化させ、これによりレーザ光を主走査方向（スキャン方向）に偏向走査させる。

【0018】

モータ駆動回路２４は、後述するモータ同期回路５３の出力に基づきモータ２３に対して電力を供給する。Ｆ－θレンズ２５は、回転ミラー２２で変換された回転走査光を等速度の平行走査光に変換する。具体的には、Ｆ－θレンズ２５は、２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズ周辺部と中心部で走査速度が一定になるように設計されている。したがって、Ｆ－θレンズ２５を用いて、被測定対象Ｗを透過する平行走査光の透過強度の時間変化を測定することで、被測定対象Ｗの寸法を求めることができる。Ｆ－θレンズ２５により平行走査光に変換されたレーザ光は、回転ミラー２２の回転に伴い被測定対象Ｗを含む測定領域を走査するように照射されることになる。

【0019】

同期用受光素子２６は、Ｆ－θレンズ２５の外側であって、レーザ光がＦ－θレンズ２５を通過する範囲の１回の走査が開始される前、または終了した後に、レーザ光を受光する位置に配置されている。同期用受光素子２６は、レーザ光による１走査の開始または終了を検出してパルス状のタイミング基準信号（以下、基準信号と称する）を出力する。したがって、レーザ光の１回の走査が開始される毎に、または終了する毎に基準信号が１回出力されることとなる。

【0020】

直線偏光板（偏光板）３０は、偏光子の向きが、レーザ光の出射方向（Ｚ方向）および被測定対象Ｗの軸方向（Ｘ方向）に直交する方向、即ち、被測定対象Ｗの反射面（ＸＺ平面）に対して垂直方向（Ｙ方向）となるように形成されている。即ち、Ｆ－θレンズ２５により平行走査光に変換されたレーザ光は、直線偏光板１を通過する際、被測定対象Ｗの反射面に対して水平方向（Ｘ方向）の振動成分が遮断され、反射面に対して垂直方向（Ｙ方向）の成分のみが通過することとなる。被測定対象Ｗは円筒形状を有しているため、回転ミラー２２の回転に伴い、直線偏光板３０を通過する平行走査光は、被測定対象Ｗの円筒形状の軸に対する垂直断面内において光軸が平行に移動する。

【0021】

受光部４０は、集光レンズ４１、受光素子４２、アンプ４３、等を備えている。集光レンズ４１は、被測定対象Ｗを通過した平行走査光を集光して受光素子４２に入射する。受光素子４２は、集光レンズ４１により集光された平行走査光に対して光電変換を行う。具体的には、受光素子４２は、受光強度に応じた電圧を有する電気信号を出力する。受光素子４２は、受光強度が大きいほど電圧が大きい電気信号を出力し、受光強度が小さいほど電圧が小さい電気信号を出力する。電気信号の電圧の強弱を測定することで、被測定対象Ｗの走査面内における走査方向の寸法を測定することができる。なお、こうした寸法算出処理は、演算部５０にて行われる。アンプ４３は、受光素子４２より出力された電気信号を増幅し、演算部５０に出力する。

【0022】

演算部５０は、電圧検出回路５１、クロック回路５２、モータ同期回路５３、入出力回路５４、キーボード５５、ＣＰＵ（中央演算装置）５６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５７、記憶部５８、等を備えている。電圧検出回路５１は、アンプ４３から出力された電気信号の電圧値の時間変化を検出する。それにより、受光素子４２で受光される走査光の受光強度の時間変化を検出することができる。

【0023】

モータ同期回路５３は、クロック回路５２から入力されたクロック信号に同期した駆動信号をモータ駆動回路２４に対して出力する。なお、モータ駆動回路２４は、モータ同期回路５３の出力に基づいてモータ２３に電力を供給する。したがって、回転ミラー２２は、クロック信号に対して所定の関係を持った速度で回転することとなる。

【0024】

入出力回路５４は、算出された値（被測定対象Ｗの寸法）等を表示装置や印刷装置などの外部出力装置（図示省略）に出力する。キーボード５５は、各種の操作キー群を備えて構成されている。ユーザによりキーボード５５の所定のキーの押下操作が行われると、この押下操作に応じた操作信号がＣＰＵ５６に出力される。ＣＰＵ５６は、例えば、記憶部５８に記憶されている各種処理プログラムに従って、各種の制御処理を行う。

【0025】

ＲＡＭ５７は、ＣＰＵ５６により演算処理されたデータを格納するワークメモリエリアを形成している。記憶部５８は、例えば、ＣＰＵ５６によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ５６によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部５８に記憶されている。

【0026】

ＣＰＵ５６は、電圧検出回路５１が検出した電圧の時間変化を用いて、被測定対象Ｗの段差を計算する。以下、被測定対象Ｗの段差の測定の詳細について説明する。

【0027】

図３（ａ）で例示するように、被測定対象Ｗの一例として、クランクシャフトに着目する。クランクシャフトは、Ｘ軸方向の先端部において、Ｘ軸方向に向かって、同軸であって外径の異なる複数の円柱が、順に外径が小さくなるように接続された構造を有している。それにより、クランクシャフトの外径は、Ｘ軸方向の先端に向かって段階的に小さくなっている。したがって、被測定対象Ｗは、段差ＬＤを有している。

【0028】

光学式測定装置１００を用いて段差ＬＤの段差寸法Ｇを測定しようとする場合、図３（ｂ）で例示するように、一段目の外径Ｄ１および二段目の外径Ｄ２を測定する。外径Ｄ１および外径Ｄ２は、それぞれ、電圧検出回路５１が検出する電圧波形において、立ち上がりエッジおよび立ち下りエッジを検出することで測定することができる。外径Ｄ１と外径Ｄ２との差分の１／２を計算することで、一段目と二段目との段差寸法Ｇ１，Ｇ２を測定することができる。しかしながら、この場合、外径Ｄ１を測定するための走査および外径Ｄ２を測定するための走査の２回の走査を行うことになる。

【0029】

または、図４で例示するように、二段目の外周と基準エッジとの隙間Ｇ１と一段目の外周と基準エッジとの隙間Ｇ２とを測定する。隙間Ｇ１および隙間Ｇ２は、それぞれ、電圧検出回路５１が検出する電圧波形において、立ち上がりエッジおよび立ち下りエッジを検出することで測定することができる。隙間Ｇ１と隙間Ｇ２との差分を計算することで、一段目と二段目との段差寸法Ｇ３を測定することができる。しかしながら、この場合、隙間Ｇ１を測定するための走査および隙間Ｇ２を測定するための走査の２回の走査を行うことになる。

【0030】

このような段差測定の場合、一般には、シャフト測定機や投影機等を用いることが有効である。しかしながら、これらの機器は、光学式測定装置よりも大型かつ高額な装置であるため、導入には敷居が高くなる。

【0031】

そこで、本実施形態においては、ＸＹ平面におけるレーザ光の走査位置（走査軌跡）を段差ＬＤに合わせ、当該段差ＬＤから得られる電圧波形から段差寸法Ｇを測定する。

【0032】

図５で例示するように、ＸＹ平面におけるレーザ光の走査軌跡を段差ＬＤに合わせる。具体的には、レーザ光の中心を段差ＬＤの端面に一致させる。段差ＬＤの端面とは、段差ＬＤにおいて、走査方向に延びる面であって、ＹＺ平面に平行な面である。この場合、段差ＬＤよりもＹ軸方向の外側では、レーザ光は遮られない。したがって、電圧検出回路５１で検出される電圧値は、１００％となる。レーザ光が段差ＬＤに照射されると、レーザ光の一部が遮られる。それにより、電圧検出回路５１で検出される電圧値は、０％と１００％との間（例えば、５０％）となる。段差ＬＤよりもＹ軸方向の内側では、レーザ光は遮られる。したがって、電圧検出回路５１で検出される電圧値は、０％となる。このように、レーザ光の走査軌跡を段差ＬＤに合わせると、所定の時間範囲にわたってレーザ光の一部が被測定対象Ｗによって遮られるため、電圧検出回路５１によって検出される電圧波形は、三段階（例えば、１００％、５０％、０％）で推移する。したがって、当該電圧波形において、被測定対象Ｗによってレーザ光が遮られない場合の電圧値（１００％）に対する第１エッジと、被測定対象Ｗによってレーザ光が遮られる場合の電圧値（０％）に対する第２エッジとが現れる。

【0033】

この場合において、電圧値が１００％と５０％との中間位置（例えば、７５％近傍）は、ビームが段差部分に侵入し始めた位置を示している。電圧値が５０％と０％との中間位置（例えば、２５％近傍）は、ビームが段差部分から脱出し始めた位置を示している。したがって、第１エッジと第２エッジとから、レーザ光の一部が被測定対象Ｗによって遮られる上記の所定の時間範囲に相当する距離を演算することで、段差寸法Ｇを測定することができる。

【0034】

本実施形態によれば、１回の走査で第１エッジおよび第２エッジを検出することができるため、１回の走査で段差寸法Ｇを測定することができる。

【0035】

続いて、より高精度に段差寸法Ｇを測定する構成について説明する。図６（ａ）～図６（ｃ）は、電圧波形が三段階で推移する場合の電圧波形を例示する図である。図６（ｂ）で例示するように、理想的には、レーザ光の中心が段差ＬＤの端面に一致する。この場合、レーザ光が段差ＬＤに照射される場合に、レーザ光の半分が遮られる。したがって、段差ＬＤにおいて電圧検出回路５１で検出される電圧値は、５０％となる。この場合、電圧検出回路５１で検出される電圧値が７５％となる位置が、レーザ光の中心が段差ＬＤに侵入し始めた侵入位置を示している。電圧検出回路５１で検出される電圧値が２５％となる位置が、レーザ光の中心が段差ＬＤから脱出し始めた脱出位置を示している。

【0036】

しかしながら、誤差などに起因して、レーザ光の中心が段差ＬＤの端面からずれる場合がある。例えば、図６（ａ）で例示するように、レーザ光の中心が、段差ＬＤの端面よりも、Ｘ軸方向外側にずれる場合がある。この場合、段差ＬＤにおいて、レーザ光の半分よりも小さい範囲だけが遮られる。したがって、段差ＬＤにおいて電圧検出回路５１で検出される電圧値は、５０％よりも大きくなってしまう。次に、図６（ｂ）で例示するように、レーザ光の中心が、段差ＬＤの端面よりも、Ｘ軸方向内側にずれる場合がある。この場合、段差ＬＤにおいて、レーザ光の半分よりも大きい範囲が遮られる。したがって、段差ＬＤにおいて電圧検出回路５１で検出される電圧値は、５０％よりも小さくなってしまう。これらのような場合に、電圧値＝７５％を侵入位置とし、電圧値＝７５％を脱出位置とすると、段差寸法Ｇの測定に誤差が生じるおそれがある。

【0037】

そこで、図６（ａ）～図６（ｃ）で例示するように、第１エッジにおいて、電圧値が１００％から変化する変化点と、段差ＬＤにおける電圧値への変化点との中点を侵入位置とする。また、第２エッジにおいて、段差ＬＤにおける電圧値から変化する変化点と、電圧値＝０％に変化する変化点との中点を脱出位置とすることが好ましい。このように第１エッジの中点および第２エッジの中点を定義することで、レーザ光の中心が段差ＬＤの端面からずれても、段差寸法Ｇの測定誤差を抑制することができる。

【0038】

または、段差ＬＤにおいて電圧検出回路５１で検出される電圧値（％）と１００％とのちょうど中間となる電圧値の位置を侵入位置とし、段差ＬＤにおいて電圧検出回路５１で検出される電圧値（％）と０％とのちょうど中間となる電圧値の位置を脱出位置としてもよい。このように第１エッジの中点および第２エッジの中点を定義することで、レーザ光の中心が段差ＬＤの端面からずれても、段差寸法Ｇの測定誤差を抑制することができる。

【0039】

（変形例１）
複数の段差が並ぶ方向に対してレーザ光の走査方向が傾斜している場合には、レーザ光の走査軌跡が段差と一致せず、エッジをロストしてしまうおそれがある。例えば、図７で例示するように、複数の段差が並ぶ方向に対してレーザ光の走査方向が傾斜する場合には、段差ＬＤにレーザ光の走査軌跡を合わせることができても、他方の段差からレーザ光の走査軌跡が外れることになる。この場合、立ち上がりエッジをロストしてしまい、レーザ光の走査軌跡が外れた段差寸法の測定ができなくなるおそれがある。

【0040】

そこで、図８で例示するように、レーザ光のビーム径を大きくすることが好ましい。この場合、複数の段差が並ぶ方向に対してレーザ光の走査方向が傾斜していても、レーザ光を両方の段差に照射することができる。例えば、ビーム径を３０μｍ以上、２ｍｍ以下程度まで大きくすることで、十分にビーム径を大きくすることができる。

【0041】

（変形例２）
段差寸法Ｇが小さい場合には、レーザ光のビーム径を大きくし過ぎると、エッジの検出が困難となる場合がある。例えば、図９（ａ）で例示するように、ビーム径が段差寸法Ｇよりも大きいと、レーザ光の中心が段差ＬＤの端面に一致していても、電圧検出回路５１で検出される電圧値が５０％となる場合が一瞬となり、電圧波形からのエッジの検出が困難となるおそれがある。

【0042】

そこで、図９（ｂ）で例示するように、レーザ光のビーム形状（断面形状）が、走査方向と交差する方向に長径を有していることが好ましい。例えば、レーザ光の断面形状は、Ｘ軸方向に長径を有していることが好ましい。例えば、レーザ光の断面形状が、Ｘ軸方向に長さを有する楕円形状を有していることが好ましい。この場合、エッジの検出が容易になる。特に、レーザ光の断面形状が、Ｙ軸方向において段差寸法Ｇよりも小さい径を有していれば、段差ＬＤにおいて電圧値が一定となる時間が長くなる。それにより、電圧波形からのエッジの検出が容易となる。

【0043】

例えば、レーザ光のＸ軸方向における径を３０μｍ以上２ｍｍ以下とし、Ｙ軸方向における径を段差寸法Ｇよりも小さくすることで、十分にビーム径を大きくしつつ、電圧波形からのエッジの検出を容易とすることができる。

【0044】

また、レーザ光の断面形状が円である場合、図１０（ａ）で例示するように、レーザ光の中心が段差ＬＤの端面に一致していたとしても、レーザ光が段差ＬＤに差し掛かってからレーザ光の中心が段差ＬＤの端面に到達するまでに所定の時間を要するため、電圧波形におけるエッジの時間が長くなる。この場合、電圧波形のスロープが緩やかとなり、ノイズ成分の影響を受けるおそれがある。

【0045】

これに対して、レーザ光の断面形状がＹ軸方向に短径を有していれば、図１０（ｂ）で例示するように、レーザ光が段差ＬＤに差し掛かってからレーザ光の中心が段差ＬＤの端面に到達するまでの時間が短くなり、電圧波形におけるエッジの時間が短くなる。この場合、電圧波形のスロープが急峻となり、ノイズ成分の影響を抑制することができる。

【0046】

例えば、図１１（ａ）で例示するように、電圧波形のスロープが緩やかであると、微分値波形のピークが緩やかとなり、極大値が小さくなる。したがって、エッジ位置の判定にバラツキが生じやすくなる。これに対して、図１１（ｂ）で例示するように、電圧波形のスロープが急峻であると、微分値波形のピークが急峻になり、極大値が大きくなる。したがって、エッジ位置の判定にバラツキが生じにくくなる。

【0047】

なお、図１２（ａ）で例示するように、レーザ光源１１から出射される光に対してコリメートレンズ１４でコリメートした後に、楕円形状の絞り１５でコリメート光を絞ることで、レーザ光の断面形状を楕円にすることができる。または、図１２（ｂ）で例示するように、光が通過する強度を位置によって変化させるようなフィルム１６を用いて、レーザ光の断面形状を楕円にすることもできる。

【0048】

上記各例において、発光部１０および走査部２０が、被測定対象に対し、光軸が平行に移動する走査光を照射する照射装置の一例である。受光素子４２が、前記被測定対象を超えて到達する前記走査光に対して光電変換を行う受光素子の一例である。演算部５０が、所定の時間範囲にわたって前記走査光の一部が前記被測定対象によって遮られる場合に、前記受光素子が出力する電気信号の時間変化から得られる電圧波形において、前記被測定対象によって前記走査光が遮られない場合の電圧値に対する第１エッジと、前記被測定対象によって前記走査光が遮られる場合の電圧値に対する第２エッジとから、前記所定の時間範囲に相当する距離を演算する演算部の一例である。

【0049】

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0050】

１０ 発光部
１１ レーザ光源
１３ 偏光装置
２２ 回転ミラー
５１ 電圧検出回路
２０ 走査部
４０ 受光部
５０ 演算部
１００ 光学式測定装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】