フォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御方法
【課題】外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスができるフォーカシング制御装置を提供する。
【解決手段】フォーカシング制御装置は、フォーカスエラー信号Ｓの合焦条件を満たしている場合であっても、受光した受光信号の光量が光量レベルしきい値を下回る場合は、信号生成回路６５によってＣＰＵ６７からのアクチュエータ２３の制御信号に発振回路６５ａからの高周波信号を重畳する。アクチュエータドライバ６６は、この高周波信号が重畳された制御信号に基づいて、アクチュエータ２３を微細振動させ、対物レンズ５を動かして外乱光への合焦を防止する。
【解決手段】フォーカシング制御装置は、フォーカスエラー信号Ｓの合焦条件を満たしている場合であっても、受光した受光信号の光量が光量レベルしきい値を下回る場合は、信号生成回路６５によってＣＰＵ６７からのアクチュエータ２３の制御信号に発振回路６５ａからの高周波信号を重畳する。アクチュエータドライバ６６は、この高周波信号が重畳された制御信号に基づいて、アクチュエータ２３を微細振動させ、対物レンズ５を動かして外乱光への合焦を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、いわゆる合焦点検出方式による非接触変位計では、ワークからの反射光によるフォーカスエラー信号によって焦点位置を検出して、アクチュエータなどの移動手段を使い対物レンズが合焦位置に位置するように追従制御することでワークの変位測定を行っている。
【０００３】
しかし、光の反射率が高いワークの段差測定などにおいては、段差や端面に当たり拡散した光（外乱光）が反射光として受光素子に入射すると、焦点位置ではない位置に合焦してしまうことがある。
【０００４】
すなわち、焦点の自動検出手段であるフォーカシングサーボ機構は、フォーカスエラー信号が得られるように対物レンズの移動を制御しているが、上記のような反射率が高いワークの段差や端面、あるいは曲面などを対象とした測定では、乱反射した外乱光に対して合焦してしまう場合がある。この場合、測定データ（測定値）がいわゆるオーバーシュートあるいはアンダーシュートしてしまうことがある（例えば、下記特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００５】
このような現象に関して、具体的に説明する。例えば図１０に示すように、合焦点検出方式による非接触変位計を用いて反射率が高いワークＷを倣い測定する場合、段差Ｗａにより本来の反射角度とは異なる外乱光ＤＬが対物レンズ１０１に戻ってくるときがある。そして、このように対物レンズ１０１に入った外乱光ＤＬを受光素子が受光して合焦条件を満たすと、本来は焦点ではない位置を焦点位置として誤認識してしまう場合がある。
【０００６】
このような外乱光ＤＬが正常な反射光として、例えば２つの受光素子の受光量を等しくしてしまい合焦条件を満たしてしまう仕組みを、いわゆるピンホール方式およびナイフエッジ方式のそれぞれの測定原理に基づき簡単に説明する。図１１に示すように、ピンホール方式においては、レーザダイオード１０２から放射された光は、まず、偏光ビームスプリッタ１０３にて偏光され、コリメータレンズ１０４を介して平行光となり、対物レンズ１０１により集光されてワークＷの表面へ照射される。
【０００７】
そして、ワークＷの表面の反射により対物レンズ１０１に戻った反射光は、偏光ビームスプリッタ１０３にて反射されたのち、無偏光ビームスプリッタ１０５により通過光、反射光に分離され、２つのピンホール１０６ａ，１０６ｂを介して２つの受光素子であるフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて受光される。
【０００８】
これらフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて受光された光の光量は電気信号に変換され、これらの信号のレベルが等しく得られるようにリニアスケール１０８などを介して対物レンズ１０１を光軸に沿った方向に移動制御することで、焦点の自動検出を行っている。
【０００９】
そして、図１２に示すように、ワークＷの表面が光軸に対して傾斜するような場合であると、通常は反射光が対物レンズ１０１に戻らないためフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて光量が得られないため測定することはできない。ところが、光軸に対して最大角度θＭＡＸで、図１２中太線で示すように対物レンズ１０１に外乱光ＤＬが入ってしまうと、フォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて僅かではあるが光量が得られてしまうことがある。
【００１０】
このような場合、外乱光ＤＬであっても、例えば合焦条件である２つのフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂでの光量が等しいと判定されると、焦点位置として判断されてしまうこととなる。そして、このような外乱光ＤＬが合焦条件を満たす位置は、光軸に対する最大角度θＭＡＸ上に、図１２中一点鎖線で示すように多数存在するため、ワークＷの段差や端面などによって生じる外乱光ＤＬに合焦してしまうことがある。
【００１１】
一方、図１３に示すように、ナイフエッジ方式においては、受光素子として一般的に２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂを用い、これら２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂにて受光した光の光量が等しくなれば（すなわち、ａ＋ａ’＝ｂ＋ｂ’）、合焦条件を満たすこととなる。
【００１２】
このようにナイフエッジ方式を用いた場合であっても、図１３中太線で示すように外乱光ＤＬが光軸に対して最大角度θＭＡＸで対物レンズ１０１に入ると、焦点位置ではなくても２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂにて得られる光量は等しくなる。
【００１３】
すなわち、ナイフエッジ方式においてもこのような外乱光ＤＬが合焦条件を満たす位置は、図１３中一点鎖線で示すように光軸に対する最大角度θＭＡＸ上に多数存在するため、外乱光ＤＬに合焦してしまうことがある。ただし、このナイフエッジ方式では偏光ビームスプリッタ１０３からの光をエッジミラー１１０にて分割していることから、光軸に対して最大角度θＭＡＸで対物レンズ１０１に入った外乱光ＤＬは、２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂのうち、一方のフォトダイオードでは受光されないこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−２９４１２４号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】清野 慧、孫 萍、大江 敦司 著、「光触針におけるオーバーシュート現象の考察」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６２、Ｎｏ．１、１９９６年、ｐ．１４０−ｐ．１４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
この発明は、外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスができるフォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御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】
【００１７】
この発明にかかるフォーカシング制御装置は、測定面に向けて光ビームを発生する光ビーム発生手段と、前記測定面に光ビームが照射されることにより前記測定面で反射された反射光が入射する対物レンズと、前記対物レンズを通った反射光を二つの分割光に分割すると共に、前記対物レンズの移動に伴って前記分割光の光量を増減させる光学系と、前記対物レンズと前記測定面とを前記光軸に沿った方向に相対移動させる移動手段と、前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理手段と、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御手段と、を備えたフォーカシング制御装置において、前記移動制御手段は、高周波信号を生成する発振手段と、前記発振手段により生成された高周波信号を前記移動手段を制御する制御信号に重畳する信号合成手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかるフォーカシング制御装置においては、前記受光信号処理手段は、前記受光信号の光量を判定する光量判定手段を備え、前記移動制御手段は、前記受光信号処理手段により出力されたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視手段を備え、前記フォーカスエラー信号監視手段により前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定手段により前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成手段を介して前記高周波信号を前記制御信号に重畳したうえで、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させるようにすることができる。
【００１９】
この発明にかかるフォーカシング制御装置においては、前記光学系は、ピンホール方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させるようにすることができる。
【００２０】
また、前記光学系は、ナイフエッジ方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させるようにすることができる。
【００２１】
この発明にかかる非接触測定装置は、測定面上の測定すべき測定ポイントを入力する入力手段と、前記入力手段を用いて入力された前記測定ポイントとの距離を変位量として非接触に検出する、上記本発明にかかるフォーカシング制御装置を含む光学式変位計とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
この発明にかかるフォーカシングサーボ制御方法は、測定面に向けて光ビーム発生手段により発生された光ビームを照射するとともに前記測定面で反射された反射光に基づいて、前記測定面に対して光軸に沿った方向に相対移動可能である対物レンズを移動させることにより、前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように制御するフォーカシングサーボ制御方法において、前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理工程と、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御工程とを備え、前記移動制御工程は、高周波信号を生成する発振工程と、前記高周波信号を前記対物レンズを移動制御する制御信号に重畳する信号合成工程とを含むことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかるフォーカシングサーボ制御方法においては、前記受光信号処理工程は、前記受光信号の光量を判定する光量判定工程を含み、前記移動制御工程は、前記受光信号処理工程にて得られたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視工程と、前記フォーカスエラー信号監視工程にて前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成工程にて前記発振工程で生成された高周波信号を前記制御信号に重畳し、前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させることができる。
【００２４】
この発明にかかるフォーカシングサーボ制御方法においては、前記移動制御工程では、ピンホール方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることができる。
【００２５】
また、前記移動制御工程では、ナイフエッジ方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の機能的構成を示す機能ブロック図である。
【図２】ピンホール方式で生成されたフォーカスエラー信号の波形を示す波形図である。
【図３】ナイフエッジ方式で生成されたフォーカスエラー信号の波形を示す波形図である。
【図４】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の具体的な構成の例を示すブロック図である。
【図５】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の倣い測定を説明するための図である。
【図７】測定データを示す説明図である。
【図８】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置にナイフエッジ方式を採用した場合を説明するための説明図である。
【図９】この発明の一実施形態にかかる非接触測定装置の全体構成の例を示す斜視図である。
【図１０】外乱光を説明するための説明図である。
【図１１】ピンホール方式の合焦原理を説明するための説明図である。
【図１２】ピンホール方式の外乱光への合焦原理を説明するための説明図である。
【図１３】ナイフエッジ方式の外乱光への合焦原理を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、添付の図面を参照して、この発明にかかるフォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
［フォーカシング制御装置］
（フォーカシング制御装置の機能的な構成）
図１は、この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の機能的構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、フォーカシング制御装置１は、例えば光ビーム発生部３と、対物レンズ５と、光学系７と、信号生成部９とを備えて構成されている。
【００３０】
光ビーム発生部３にて発生された光ビーム（光）Ｌ１は、対物レンズ５を介してワークＷの測定面に照射される。測定面で反射された反射光Ｌ２は、対物レンズ５に入射して光学系７に導かれる。この反射光Ｌ２は、光学系７にて例えば２つの分割光Ｌ３，Ｌ３にそれぞれ分けられる。
【００３１】
光学系７は、いわゆるピンホール方式やナイフエッジ方式により反射光Ｌ２を分割する構造を備え、ここでの光学系７には、２つの分割光のうち、一方および他方の分割光Ｌ３がそれぞれ通過可能な複数のピンホール（図示せず）が設けられている。これらピンホールは、それぞれ一方の分割光Ｌ３の結像点の前と他方の分割光Ｌ３の結像点の後とに配置されている。このように、この光学系７はピンホール方式を採用していることとなる。
【００３２】
そして、これらのピンホールを通過した一方および他方の分割光Ｌ３，Ｌ３は、信号生成部９で受光されて光電変換される。これにより、信号生成部９からは受光された光量を示す受光量信号Ｒやフォーカスエラー信号Ｓが出力される。ここで、この信号生成部９により生成されるフォーカスエラー信号Ｓの波形の一例を図２に示す。
【００３３】
図２に示すように、ワークＷの測定面の位置が対物レンズ５の焦点位置Ｆと一致する場合は、フォーカスエラー信号Ｓは０（ゼロ）となる。換言すれば、フォーカスエラー信号Ｓは、合焦位置でゼロクロスするといえる。そして、フォーカスエラー信号Ｓの負のピーク値がフォーカスエラー信号Ｓの最小値ＭＩＮであり、フォーカスエラー信号Ｓの正のピーク値がフォーカスエラー信号Ｓの最大値ＭＡＸである。
【００３４】
この図２に示したフォーカスエラー信号Ｓは、上述したようにピンホール方式を採用した場合に生成される波形を示している。一方、後述するナイフエッジ方式にて生成される場合のフォーカスエラー信号Ｓの波形は、例えば図３に示すようになる。
【００３５】
これら図２および図３に示された波形を比較すれば分かるように、ピンホール方式では、フォーカスエラー信号Ｓのカーブ波形のピーク値が大きく、かつＳ／Ｎ比も大きいので、いわゆるノイズを小さくすることができるといえる。したがって、ピンホール方式によればナイフエッジ方式に比べて、良好な波形形状のフォーカスエラー信号Ｓを得ることができる。
【００３６】
また、フォーカシング制御装置１は、記憶部１１と、制御部１３と、移動制御部１５とを備えて構成されている。記憶部１１には、図２に示すようなフォーカスエラー信号Ｓの最小値ＭＩＮや最大値ＭＡＸが記憶されるとともに、信号生成部９からの出力（受光量信号Ｒを含む）の最小値および最大値や、この出力のレベルを判定するためのレベルしきい値などが記憶される。
【００３７】
制御部１３は、フォーカシング制御装置１の全体の制御を司るとともに、例えば信号生成部９からの出力に基づいて、フォーカスエラー信号Ｓが対物レンズ５の合焦条件を満たしているか否かを判定したり、フォーカスエラー信号Ｓのレベルをレベルしきい値（信号）と比較したり、受光量信号Ｒのレベルをレベルしきい値（光量）と比較したり、高周波信号を生成する処理を行う。また、制御部１３は、移動制御部１５を制御する制御信号に、生成した高周波信号を重畳する。
【００３８】
移動制御部１５は、制御部１３からの制御信号に基づいて、対物レンズ５を図１中矢印ＡおよびＢで示す方向（すなわち、光軸に沿った方向）に移動させる制御を行う。また、移動制御部１５は、制御部１３からの制御信号に重畳された高周波信号に基づいて、対物レンズ５を上記ＡおよびＢで示す方向に微細に振動させる制御を行う。この他、移動制御部１５は、ワークＷを支持する図示しないテーブルを光軸と直交する方向に移動させる制御を含んでいても良い。
【００３９】
（フォーカシング制御装置の構造）
次に、本実施形態に係るフォーカシング制御装置の具体的な構成について、光学式変位計を用いて説明する。図４は、光学式変位計を示すブロック図である。光学式変位計２１は、対物レンズ５および光軸方向（すなわち、上方向である図４中矢印Ａで示す方向、下方向である矢印Ｂで示す方向）に対物レンズ５を移動させるアクチュエータ２３を備える。
【００４０】
また、このアクチュエータ２３には、リニアエンコーダ２５が設けられている。リニアエンコーダ２５は、アクチュエータ２３の駆動により対物レンズ５の移動に伴って移動されるスケール２７と、このスケール２７を読み取る検出器２９とを備えて構成されている。
【００４１】
さらに、光学式変位計２１は、半導体レーザ３１と、ビームスプリッタ（偏光）３３と、集光レンズ３５とを備える。半導体レーザ３１は、例えば光ビーム発生手段として機能する。半導体レーザ３１で発生された光ビームＬ１は、ビームスプリッタ３３、集光レンズ３５および対物レンズ５を介してワークＷの測定面Ｍに照射される。
【００４２】
そして、ワークＷの測定面Ｍで反射された反射光Ｌ２は、対物レンズ５に入射したのち、集光レンズ３５で集光されてビームスプリッタ３３に再び導かれる。なお、この例の光学式変位計２１は、ビームスプリッタ３３で反射された反射光Ｌ２を２つの分割光Ｌ３に分けるビームスプリッタ（無偏光）３７をさらに備えている。
【００４３】
このビームスプリッタ３７を介して出射される一方の分割光Ｌ３の結像点Ｐの前には、ピンホール３９を有する板４１が配置されている。また、ビームスプリッタ３７を介して出射される他方の分割光Ｌ３の結像点Ｑの前には、ピンホール４３を有する板４５が配置されている。すなわち、この光学式変位計２１は、ピンホール方式を採用している。
【００４４】
そして、これら集光レンズ３５と、ビームスプリッタ３３と、ビームスプリッタ３７と、ピンホール３９，４３を有する板４１，４５とが、例えば光学系の一例として機能する。板４１，４５のピンホール３９，４３を通った各分割光Ｌ３，Ｌ３は、それぞれフォトダイオード４７，４９で受光されて光電変換され、電流電圧変換器５１，５３にて電圧に変換される。
【００４５】
これら電圧電流変換器５１，５３にて電圧に変換された信号は、オペアンプなどの差演算器５５および和演算器５７にそれぞれ入力される。差演算器５５は、フォトダイオード４７，４９の出力の差（Ａ−Ｂ）を演算する。和演算器５７は、フォトダイオード４７，４９の出力の和（Ａ＋Ｂ）を演算し、受光量信号Ｒを出力する。
【００４６】
さらに、これら差演算器５５および和演算器５７には、除算器５９が接続されている。この除算器５９は、差演算器５５の出力電圧を和演算器５７の出力電圧で割って（（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））、フォーカスエラー信号Ｓを出力する。そして、これらフォトダイオード４７，４９と、電流電圧変換器５１，５３と、差演算器５５と、和演算器５７と、除算器５９とが、信号生成手段の一例として機能する。
【００４７】
フォーカスエラー信号Ｓは、例えば図２に示すように、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆと一致する場合は０となり、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆに対して近い場合には正の値をとる。これに対して、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆから遠い場合には負の値をとる。このように、フォーカスエラー信号Ｓは、ほぼＳ字曲線状の信号波形を有する。
【００４８】
また、光学式変位計２１は、除算器５９の出力が入力されるサーボ制御回路６１と、これとスイッチ６３を介して接続されている信号合成回路６５と、この信号合成回路６５からの出力が入力されるアクチュエータドライバ６６とを備える。サーボ制御回路６１は、移動させるワークＷの表面である測定面ＭがワークＷの移動により変動することになって焦点が合わなくなった場合に、例えばＰＩＤ制御により対物レンズ５を焦点位置Ｆまで移動させるようにアクチュエータドライバ６６を制御してアクチュエータ２３を駆動させる。
【００４９】
すなわち、フォーカシングが終了したのちに、スイッチ６３をＤ／Ａ変換器７１側からサーボ制御回路６１側へ切り替え、ワークＷの移動による測定面Ｍにサーボ制御回路６１にて焦点合わせすることにより、ワークＷの表面の粗さなどが測定される。フォーカシングが終了したのちは、フォーカスエラー信号Ｓは大きく変化しないので、サーボ制御回路６１によるＰＩＤ制御にて焦点位置Ｆとなるように追従処理される。
【００５０】
信号合成回路６５は、例えばＩ／Ｏ（入出力ポート）７５を介してＣＰＵ６７から出力されたＯＮ／ＯＦＦ制御信号により、アクチュエータドライバ６６の制御信号に発振回路６５ａで発生された高周波信号を重畳するように合成する。なお、このＯＮ／ＯＦＦ制御信号は、ワークＷの反射率が高く、段差を有している場合等に、オペレータなどがキーボード等の入力手段を介してＣＰＵ６７に対して任意に指示する。また、このＯＮ／ＯＦＦ制御信号は、ＣＰＵ６７が特定の条件を判断して出力することもできる。また、検出器２９からの出力を後述するカウンタＩＣ７３やＣＰＵ６７にてフィルタリングする処理をＯＮ／ＯＦＦ操作により選択的に追加することにより、発振の影響を弱めるようにして測定データの変動を抑えるようにしてもよい。アクチュエータドライバ６６は、アクチュエータ２３の駆動を制御する。
【００５１】
さらに、光学式変位計２１は、ＣＰＵ６７と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器６９と、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器７１と、カウンタＩＣ７３と、Ｉ／Ｏ（入出力ポート）７５とを備える。これら各部は、データバス７７により互いに接続されている。
【００５２】
Ａ／Ｄ変換器６９は、和演算器５７および除算器５９に接続され、受光量信号Ｒやフォーカスエラー信号Ｓをデジタル信号に変換する。Ｄ／Ａ変換器７１は、スイッチ６３および信号合成回路６５を介してアクチュエータドライバ６６に接続されている。カウンタＩＣ７３は、リニアエンコーダ２５の検出器２９に接続されている。
【００５３】
このカウンタＩＣ７３は、検出器２９から出力される二相信号に基づいて計数する。Ｉ／Ｏ（入出力ポート）７５は、スイッチ６３の切り替え操作部と接続されている。そして、このＩ／Ｏ（入出力ポート）７５を介したＣＰＵ６７からの切り替え制御信号に基づき、スイッチ６３の切り替え制御が実行される。
【００５４】
アクチュエータドライバ６６は、ＣＰＵ６７からの制御信号に基づいて対物レンズ５が光軸に沿った方向に振動する状態にアクチュエータ２３を駆動制御（加振制御）する。また、アクチュエータドライバ６６は、上記制御信号に発振回路６５ａからの高周波信号が重畳されている場合は、アクチュエータ２３を微細振動するように制御する。
【００５５】
そして、この光学式変位計２１は、フォーカスエラー信号Ｓが得られた場合に、焦点位置Ｆを認識する処理が実行される。すなわち、例えばカウンタＩＣ７３にて検出器２９からの二相信号（リニアスケールＡ相信号、Ｂ相信号）に基づいて、ＣＰＵ６７は対物レンズ５の位置を認識する。
【００５６】
また、ＣＰＵ６７は、フォーカスエラー信号Ｓを認識した対物レンズ５との位置関係を認識し、位置補償制御により逐次対物レンズ５を移動させる制御をする。そして、ＣＰＵ６７では、ＰＩＤ制御するとともに位置補償制御し、対物レンズ５を焦点位置Ｆまで移動させるようにアクチュエータドライバ６６を制御し、アクチュエータ２３を駆動させてフォーカシング（焦点合わせ）を行う。
【００５７】
なお、アクチュエータドライバ６６と、アクチュエータ２３と、リニアエンコーダ２５とは、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆに位置するように対物レンズ５をその光軸に沿って移動させる制御を、フォーカスエラー信号Ｓと判断されたことに基づいて実行する移動制御手段の一例として機能する。
【００５８】
（フォーカシング制御装置の動作）
本実施形態にかかるフォーカシング制御装置の具体的な一部の動作について、上述した光学式変位計２１を用いて説明する。図５は、フォーカシング制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。まず、半導体レーザ３１から光ビーム（照射光）Ｌ１が発射される（ステップＳ１００）。発射された光ビームは集光レンズ３５および対物レンズ５を通ってワークＷの測定面Ｍに照射される。
【００５９】
測定面Ｍからの反射光Ｌ２は、光ビームＬ１と逆の経路をたどって対物レンズ５から集光レンズ３５を経てフォトダイオード４７，４９にて受光される。そして、測定開始位置における初期焦点合わせが行われる。すなわち、フォトダイオード４７，４９からの受光信号が差演算器５５、和演算器５７および除算器５９により信号処理され、例えば和演算器５７から受光量信号Ｒが出力されるとともに（ステップＳ１０１）、除算器５９からフォーカスエラー信号Ｓが出力される（ステップＳ１０２）。
【００６０】
次に、焦点合わせ処理（ステップＳ１０３）が行われる。この焦点合わせ処理においては、スイッチ６３がＤ／Ａ変換器７１側に切り替えられ、ＣＰＵ６７からアクチュエータドライバ６６の制御信号が信号合成回路６５を経てアクチュエータドライバ６６に対して出力される。これにより、対物レンズ５が測定面Ｍに接近および離隔するように光軸方向に沿って上下に往復する。この往復移動の際のフォーカスエラー信号ＳのＳ字カーブがゼロクロスポイントとともに認識され、対物レンズ５の位置が認識されて、ゼロクロスポイントにおける対物レンズ５の合焦位置が算出される。
【００６１】
そして、ＣＰＵ６７は、認識した現在の対物レンズ５の位置と算出した合焦位置との偏差に基づいて、対物レンズ５を合焦位置に引き込む制御信号を発生し、信号合成回路６５を介してアクチュエータドライバ６６に対して出力する。アクチュエータドライバ６６は、この制御信号に基づいてアクチュエータ２３を駆動し、対物レンズ５を合焦位置に移動させる。
【００６２】
このような焦点合わせ処理を経て、サーボ制御回路６１によりサーボ制御が行われる（ステップＳ１０４）。このサーボ制御においては、スイッチ６３がサーボ制御回路６１側に切り替えられ、サーボ制御回路６１からＣＰＵ６７の制御信号に応じた駆動信号が信号合成回路６５を経てアクチュエータドライバ６６に出力され、アクチュエータ２３が駆動される（ステップＳ１０５）。
【００６３】
そして、アクチュエータ２３により対物レンズ５が光軸に沿った方向に移動され（ステップＳ１０６）、対物レンズ５の位置が合焦位置に制御される。このように対物レンズ５が合焦位置に制御されたら、フォーカスエラー信号Ｓの監視処理が行われる（ステップＳ１０７）。この監視処理では、除算器５９から出力されたフォーカスエラー信号ＳがＣＰＵ６７にて信号レベルしきい値と比較される。
【００６４】
例えば、フォーカスエラー信号Ｓの信号レベルが信号レベルしきい値内である場合は、ステップＳ１０４のサーボ制御が継続して実行される。すなわち、このような場合は、対物レンズ５と測定面Ｍとの距離が焦点距離からあまりずれていない領域であるサーボエリアに入っていると判断される。このとき、サーボ制御回路６１は、フォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスポイントからずれた量に基づく位置偏差を求め、この位置偏差を特性補償した制御信号をアクチュエータドライバ６６へ向けて信号合成回路６５を介して出力する。
【００６５】
続いて、受光量信号Ｒの光量レベル監視処理が行われる（ステップＳ１０８）。この監視処理では、和演算器５７から出力された受光量信号ＲがＣＰＵ６７にて光量レベルしきい値と比較される。例えば受光量信号Ｒの光量レベルが光量レベルしきい値以上である場合は、受光光量は十分であると判断され、対物レンズ５が正常に合焦位置に達したとされて（ステップＳ１０９のＹ）、対物レンズ５の位置がサンプリングされる（ステップＳ１１０）。その後、処理を終了するか否かが判断され（ステップＳ１１１）、終了すると判断された場合（ステップＳ１１１のＹ）は、本フローチャートによる一連の動作を終了する。
【００６６】
なお、このように動作するフォーカシング制御装置が非接触測定装置等に採用された場合は、上記ステップＳ１１０にて対物レンズ５の位置をサンプリングするときに、この対物レンズ５とともに移動されたスケール２７の変位を検出器２９にて検出する。そして、この検出器２９からのパルス信号をカウンタＩＣ７３にてカウントしたカウント値を取得して、このカウント値からＣＰＵ６７などで対物レンズ５の位置を算出した後、終了条件を満たすまでワークＷを移動させて同様の処理を繰り返し、ワークＷの測定データを得ればよい。
【００６７】
一方、上記フォーカスエラー信号Ｓの監視処理（ステップＳ１０７）にて、フォーカスエラー信号Ｓの信号レベルが信号レベルしきい値を超えている場合は、サーボエリアを超えて対物レンズ５と測定面Ｍとの距離が焦点距離から比較的大きくずれていると判断される。この場合は、ステップＳ１０４のサーボ制御を停止するとともに、ステップＳ１０３に移行して焦点合わせ処理が行われる。
【００６８】
このとき、例えば信号レベルしきい値を超えた直後の不安定な状態に基づいて焦点合わせを実行することを避け、安定時間経過後に十分に安定したフォーカスエラー信号Ｓに基づいて正確な焦点合わせを行うため、安定時間を確保するための所定時間（例えば、５００μｓ）のカウントが行われる。そして、安定時間が経過したところで、サーボ制御が停止され、動作を中止して処理を終了する。
【００６９】
また、光量レベル監視処理（ステップＳ１０８）にて、受光量信号Ｒの光量レベルが光量レベルしきい値を下回っている場合は、例えばその継続時間がカウントされ、光量レベルしきい値を下回る時間が所定時間（例えば、２５０ｍｓ）以内であれば、光量レベルは十分であると判断されて、ステップＳ１０９における合焦位置の判断処理が行われる。
【００７０】
本実施形態では、ワークＷの反射率が高く、段差を有している場合、オペレータの入力操作でＣＰＵ６７にＯＮ／ＯＦＦ制御信号をアクティブにするように指示を与える。これにより、アクチュエータ２３を微細振動させて対物レンズ５を細かく上下に振動させることができる。この結果、意図的に合焦スポットを外して合焦条件を満足させないようにすることができるので、外乱光に合焦してしまった場合を除外することができる。
【００７１】
例えば、図７（ａ）に示すように、測定データＳＤ中にワークＷの測定面Ｍの段差や端面に起因する外乱光に反応したオーバーシュート（あるいはアンダーシュート）ＳＵが発生してしまうようなワークＷを測定する場合、上述したように、アクチュエータ２３を微細振動させて、フィルタリングする処理をＯＮにすると、図７（ｂ）に示すように測定データＳＤ中にオーバーシュート（あるいはアンダーシュート）ＳＵが発生することを確実に抑制することが可能となる。
【００７２】
このため、このフォーカシング制御装置１によれば、特に非接触測定装置等に採用された場合に反射率の高いワークＷの測定面Ｍにおける段差や端面においても外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスを実現することができ、外乱光に追従する時間を抑えて無効測定データの取得を抑制することができる。
【００７３】
また、このようにアクチュエータ２３を微細振動させることは、本例のフォーカシング制御装置１のようにピンホール方式を採用した場合であっても、ナイフエッジ方式を採用した場合であっても有効であるが、ナイフエッジ方式を採用する場合は、さらに次のようにしてもよい。
【００７４】
図８は、上記フォーカシング制御装置にナイフエッジ方式を採用した場合を説明するための説明図である。図８（ａ）に示すように、ビームスプリッタ３３からの光をエッジミラー８５で分割し、２分割フォトダイオード８１，８３にて受光するナイフエッジ方式の場合は、図８（ｂ）に示すように動作する。
【００７５】
すなわち、受光面ａ，ｂ，ａ’，ｂ’を備える２分割フォトダイオード８１，８３にてそれぞれ受光されて光電変換された受光信号を、電流電圧変換器８７ａ，８７ｂ，８９ａ，９ｂにて電圧に変換する。そして、和演算器８２，８２にて光量ａ＋ｂ，ａ’＋ｂ’を得て、上記ステップＳ１０８にて光量レベルを監視する。
【００７６】
光量レベルは、例えば上記光量ａ＋ｂ，ａ’＋ｂ’が等しい（すなわち、ａ＋ｂ＝ａ’＋ｂ’）か否かにより判定される。そして、光量レベルしきい値との比較に代わり、あるいは加えて、光量レベルが０を含む近傍値であるか否かの判断（すなわち、ａ＋ｂ≒０およびａ’＋ｂ’≒０の少なくとも一つであるかの判断）を行い、近傍値であると判断された場合は、アクチュエータ２３を微細振動させて合焦スポットを外せばよい。
【００７７】
このようにすれば、フォーカシング制御装置１にナイフエッジ方式を採用した場合であっても、光軸に対して最大角度で対物レンズ５に入ってしまう外乱光への合焦を防止して、上記と同様に測定面Ｍの段差や端面で発生する測定データのオーバーシュートやアンダーシュートを効果的に抑制することが可能となる。
【００７８】
［非接触測定装置］
非接触測定装置は、ワークＷの測定面Ｍとの距離を変位量として非接触に検出し、これを基にして各種測定を実行する（例えば、図６に示したような測定面Ｍの形状評価や粗さ評価、倣い測定など）。この発明の一実施形態にかかる非接触測定装置は、上記光学式変位計２１を含む構成であるため、この光学式変位計２１をワークＷ上で移動させて測定面Ｍを測定した際の測定面Ｍの段差や端面における外乱光に合焦した場合は、次のように動作することができる。
【００７９】
すなわち、図５に示したステップＳ１０８での光量レベル監視処理にて、光量レベルが微小であったり（ピンホール方式、ナイフエッジ方式の両方に有効）、光量レベルが０を含む近傍値であったり（ナイフエッジ方式に有効）して外乱光に合焦したと判断された場合は、非接触測定装置は、光学式変位計２１に上述した合焦スポットを外させるためのアクチュエータ２３を微細振動させる処理を実行させる。
【００８０】
そして、ワークＷに対して光学式変位計２１を測定方向とは反対に僅かに戻したところで、再度上記ステップＳ１０３の焦点合わせ処理を行わせ、再び測定を再開することで、ワークＷの測定面Ｍの段差や端面での測定データのオーバーシュートやアンダーシュートを抑えつつ測定を行うことができる。この場合、光学式変位計２１を戻した場所の位置は、非接触測定装置の座標情報により把握することができるので、測定を開始位置から再開しなくてもワークＷの測定データを繋いで得ることが可能となる。なお、光学式変位計２１を測定開始位置に戻し、アクチュエータ２３を微細振動させた上で測定をやり直すことで測定データを得るようにしてもよい。
【００８１】
このような非接触測定装置は、例えば次のように構成される。図９は、この発明の一実施形態にかかる非接触測定装置９０の全体構成の例を示す斜視図である。非接触測定装置９０は、三次元測定機９１と、この三次元測定機９１を駆動制御するとともに必要なデータ処理等を実行するコンピュータシステム９３とにより構成されている。
【００８２】
三次元測定機９１は、架台９５と、この架台９５に取り付けられた測定テーブル９７とを備える。測定テーブル９７には、測定面を有するワークＷが載置される。この測定テーブル９７は、図示しないＹ軸駆動機構によって、図９中矢印Ｙで示すＹ軸方向に駆動される。
【００８３】
架台９７の両側縁中央部には、上方に延びる支持アーム１１１，１１３が固定されている。また、各支持アーム１１１，１１３の両上端部を連結するように、Ｘ軸ガイド１１５が固定されている。このＸ軸ガイド１１５には、撮像ユニット１１７が支持されている。撮像ユニット１１７は、図示しないＸ軸駆動機構によって、図９中矢印Ｘで示すＸ軸方向にＸ軸ガイド１１５に沿って駆動される。
【００８４】
撮像ユニット１１７には、本実施形態にかかる光学式変位計２１が配置されている。この光学式変位計２１は、図示しないＺ軸駆動機構によって、図９中矢印Ｚで示すＺ軸方向に沿って駆動される。
【００８５】
コンピュータシステム９３は、測定情報処理および各種制御を司るコンピュータ１２１と、各種指示情報等を入力するためのキーボード１２３、ジョイスティックボックス１２５およびマウス１２７と、測定画面、指示画面および測定結果を示す情報等を表示するディスプレイ装置１２９と、測定結果を示す情報等を印刷出力するプリンタ１３１とを備える。なお、キーボード１２３やマウス１２７等が、オペレータの指示（信号合成回路６５へのＯＮ／ＯＦＦ制御信号等を含む）等を入力する入力手段として機能する。
【００８６】
なお、その他の例として、この非接触測定装置においても、上述したように反射率の高いワークＷを測定する場合は、例えばワークＷの測定開始前にアクチュエータ２３を常時微細振動させる設定として測定を開始するようにすれば、光学式変位計２１の外乱光への焦点追従を効果的に防止しつつ、外乱光に追従する時間を抑えて無効測定データの取得を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１…フォーカシング制御装置、３…光ビーム発生部、５…対物レンズ、７…光学系、９…信号生成部、１１…記憶部、１３…制御部、１５…移動制御部、２１…光学式変位計、２３…アクチュエータ、２５…リニアエンコーダ、２７…スケール、２９…検出器、３１…半導体レーザ、３３…ビームスプリッタ、３５…集光レンズ、３７…ビームスプリッタ、３９…ピンホール、４１…板、４３…ピンホール、４５…板、４７，４９…フォトダイオード、５１，５３…電流電圧変換器、５５…差演算器、５７…和演算器、５９…除算器、６１…サーボ制御回路、６３…スイッチ、６５…信号合成回路、６５ａ…発振回路、６６…アクチュエータドライバ、６７…ＣＰＵ、６９…Ａ／Ｄ変換器、７１…Ｄ／Ａ変換器、７３…カウンタＩＣ、７５…Ｉ／Ｏ、７７…データバス、８１，８３…２分割フォトダイオード、８２…和演算器、８５…エッジミラー、８７ａ，８７ｂ，８９ａ，８９ｂ…電流電圧変換器、９０…非接触測定装置、９１…三次元測定機、９３…コンピュータシステム、９５…架台、９７…測定テーブル、１１１，１１３…支持アーム、１１５…Ｘ軸ガイド、１１７…撮像ユニット、１２１…コンピュータ、１２３…キーボード、１２５…ジョイスティックボックス、１２７…マウス、１２９…ディスプレイ装置、１３１…プリンタ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、いわゆる合焦点検出方式による非接触変位計では、ワークからの反射光によるフォーカスエラー信号によって焦点位置を検出して、アクチュエータなどの移動手段を使い対物レンズが合焦位置に位置するように追従制御することでワークの変位測定を行っている。
【０００３】
しかし、光の反射率が高いワークの段差測定などにおいては、段差や端面に当たり拡散した光（外乱光）が反射光として受光素子に入射すると、焦点位置ではない位置に合焦してしまうことがある。
【０００４】
すなわち、焦点の自動検出手段であるフォーカシングサーボ機構は、フォーカスエラー信号が得られるように対物レンズの移動を制御しているが、上記のような反射率が高いワークの段差や端面、あるいは曲面などを対象とした測定では、乱反射した外乱光に対して合焦してしまう場合がある。この場合、測定データ（測定値）がいわゆるオーバーシュートあるいはアンダーシュートしてしまうことがある（例えば、下記特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００５】
このような現象に関して、具体的に説明する。例えば図１０に示すように、合焦点検出方式による非接触変位計を用いて反射率が高いワークＷを倣い測定する場合、段差Ｗａにより本来の反射角度とは異なる外乱光ＤＬが対物レンズ１０１に戻ってくるときがある。そして、このように対物レンズ１０１に入った外乱光ＤＬを受光素子が受光して合焦条件を満たすと、本来は焦点ではない位置を焦点位置として誤認識してしまう場合がある。
【０００６】
このような外乱光ＤＬが正常な反射光として、例えば２つの受光素子の受光量を等しくしてしまい合焦条件を満たしてしまう仕組みを、いわゆるピンホール方式およびナイフエッジ方式のそれぞれの測定原理に基づき簡単に説明する。図１１に示すように、ピンホール方式においては、レーザダイオード１０２から放射された光は、まず、偏光ビームスプリッタ１０３にて偏光され、コリメータレンズ１０４を介して平行光となり、対物レンズ１０１により集光されてワークＷの表面へ照射される。
【０００７】
そして、ワークＷの表面の反射により対物レンズ１０１に戻った反射光は、偏光ビームスプリッタ１０３にて反射されたのち、無偏光ビームスプリッタ１０５により通過光、反射光に分離され、２つのピンホール１０６ａ，１０６ｂを介して２つの受光素子であるフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて受光される。
【０００８】
これらフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて受光された光の光量は電気信号に変換され、これらの信号のレベルが等しく得られるようにリニアスケール１０８などを介して対物レンズ１０１を光軸に沿った方向に移動制御することで、焦点の自動検出を行っている。
【０００９】
そして、図１２に示すように、ワークＷの表面が光軸に対して傾斜するような場合であると、通常は反射光が対物レンズ１０１に戻らないためフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて光量が得られないため測定することはできない。ところが、光軸に対して最大角度θＭＡＸで、図１２中太線で示すように対物レンズ１０１に外乱光ＤＬが入ってしまうと、フォトダイオード１０７ａ，１０７ｂにて僅かではあるが光量が得られてしまうことがある。
【００１０】
このような場合、外乱光ＤＬであっても、例えば合焦条件である２つのフォトダイオード１０７ａ，１０７ｂでの光量が等しいと判定されると、焦点位置として判断されてしまうこととなる。そして、このような外乱光ＤＬが合焦条件を満たす位置は、光軸に対する最大角度θＭＡＸ上に、図１２中一点鎖線で示すように多数存在するため、ワークＷの段差や端面などによって生じる外乱光ＤＬに合焦してしまうことがある。
【００１１】
一方、図１３に示すように、ナイフエッジ方式においては、受光素子として一般的に２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂを用い、これら２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂにて受光した光の光量が等しくなれば（すなわち、ａ＋ａ’＝ｂ＋ｂ’）、合焦条件を満たすこととなる。
【００１２】
このようにナイフエッジ方式を用いた場合であっても、図１３中太線で示すように外乱光ＤＬが光軸に対して最大角度θＭＡＸで対物レンズ１０１に入ると、焦点位置ではなくても２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂにて得られる光量は等しくなる。
【００１３】
すなわち、ナイフエッジ方式においてもこのような外乱光ＤＬが合焦条件を満たす位置は、図１３中一点鎖線で示すように光軸に対する最大角度θＭＡＸ上に多数存在するため、外乱光ＤＬに合焦してしまうことがある。ただし、このナイフエッジ方式では偏光ビームスプリッタ１０３からの光をエッジミラー１１０にて分割していることから、光軸に対して最大角度θＭＡＸで対物レンズ１０１に入った外乱光ＤＬは、２分割フォトダイオード１０９ａ，１０９ｂのうち、一方のフォトダイオードでは受光されないこととなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−２９４１２４号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】清野 慧、孫 萍、大江 敦司 著、「光触針におけるオーバーシュート現象の考察」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６２、Ｎｏ．１、１９９６年、ｐ．１４０−ｐ．１４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
この発明は、外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスができるフォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御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】
【００１７】
この発明にかかるフォーカシング制御装置は、測定面に向けて光ビームを発生する光ビーム発生手段と、前記測定面に光ビームが照射されることにより前記測定面で反射された反射光が入射する対物レンズと、前記対物レンズを通った反射光を二つの分割光に分割すると共に、前記対物レンズの移動に伴って前記分割光の光量を増減させる光学系と、前記対物レンズと前記測定面とを前記光軸に沿った方向に相対移動させる移動手段と、前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理手段と、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御手段と、を備えたフォーカシング制御装置において、前記移動制御手段は、高周波信号を生成する発振手段と、前記発振手段により生成された高周波信号を前記移動手段を制御する制御信号に重畳する信号合成手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかるフォーカシング制御装置においては、前記受光信号処理手段は、前記受光信号の光量を判定する光量判定手段を備え、前記移動制御手段は、前記受光信号処理手段により出力されたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視手段を備え、前記フォーカスエラー信号監視手段により前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定手段により前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成手段を介して前記高周波信号を前記制御信号に重畳したうえで、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させるようにすることができる。
【００１９】
この発明にかかるフォーカシング制御装置においては、前記光学系は、ピンホール方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させるようにすることができる。
【００２０】
また、前記光学系は、ナイフエッジ方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させるようにすることができる。
【００２１】
この発明にかかる非接触測定装置は、測定面上の測定すべき測定ポイントを入力する入力手段と、前記入力手段を用いて入力された前記測定ポイントとの距離を変位量として非接触に検出する、上記本発明にかかるフォーカシング制御装置を含む光学式変位計とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
この発明にかかるフォーカシングサーボ制御方法は、測定面に向けて光ビーム発生手段により発生された光ビームを照射するとともに前記測定面で反射された反射光に基づいて、前記測定面に対して光軸に沿った方向に相対移動可能である対物レンズを移動させることにより、前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように制御するフォーカシングサーボ制御方法において、前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理工程と、前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御工程とを備え、前記移動制御工程は、高周波信号を生成する発振工程と、前記高周波信号を前記対物レンズを移動制御する制御信号に重畳する信号合成工程とを含むことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかるフォーカシングサーボ制御方法においては、前記受光信号処理工程は、前記受光信号の光量を判定する光量判定工程を含み、前記移動制御工程は、前記受光信号処理工程にて得られたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視工程と、前記フォーカスエラー信号監視工程にて前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成工程にて前記発振工程で生成された高周波信号を前記制御信号に重畳し、前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させることができる。
【００２４】
この発明にかかるフォーカシングサーボ制御方法においては、前記移動制御工程では、ピンホール方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることができる。
【００２５】
また、前記移動制御工程では、ナイフエッジ方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の機能的構成を示す機能ブロック図である。
【図２】ピンホール方式で生成されたフォーカスエラー信号の波形を示す波形図である。
【図３】ナイフエッジ方式で生成されたフォーカスエラー信号の波形を示す波形図である。
【図４】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の具体的な構成の例を示すブロック図である。
【図５】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の倣い測定を説明するための図である。
【図７】測定データを示す説明図である。
【図８】この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置にナイフエッジ方式を採用した場合を説明するための説明図である。
【図９】この発明の一実施形態にかかる非接触測定装置の全体構成の例を示す斜視図である。
【図１０】外乱光を説明するための説明図である。
【図１１】ピンホール方式の合焦原理を説明するための説明図である。
【図１２】ピンホール方式の外乱光への合焦原理を説明するための説明図である。
【図１３】ナイフエッジ方式の外乱光への合焦原理を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、添付の図面を参照して、この発明にかかるフォーカシング制御装置、非接触測定装置およびフォーカシングサーボ制御方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
［フォーカシング制御装置］
（フォーカシング制御装置の機能的な構成）
図１は、この発明の一実施形態にかかるフォーカシング制御装置の機能的構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、フォーカシング制御装置１は、例えば光ビーム発生部３と、対物レンズ５と、光学系７と、信号生成部９とを備えて構成されている。
【００３０】
光ビーム発生部３にて発生された光ビーム（光）Ｌ１は、対物レンズ５を介してワークＷの測定面に照射される。測定面で反射された反射光Ｌ２は、対物レンズ５に入射して光学系７に導かれる。この反射光Ｌ２は、光学系７にて例えば２つの分割光Ｌ３，Ｌ３にそれぞれ分けられる。
【００３１】
光学系７は、いわゆるピンホール方式やナイフエッジ方式により反射光Ｌ２を分割する構造を備え、ここでの光学系７には、２つの分割光のうち、一方および他方の分割光Ｌ３がそれぞれ通過可能な複数のピンホール（図示せず）が設けられている。これらピンホールは、それぞれ一方の分割光Ｌ３の結像点の前と他方の分割光Ｌ３の結像点の後とに配置されている。このように、この光学系７はピンホール方式を採用していることとなる。
【００３２】
そして、これらのピンホールを通過した一方および他方の分割光Ｌ３，Ｌ３は、信号生成部９で受光されて光電変換される。これにより、信号生成部９からは受光された光量を示す受光量信号Ｒやフォーカスエラー信号Ｓが出力される。ここで、この信号生成部９により生成されるフォーカスエラー信号Ｓの波形の一例を図２に示す。
【００３３】
図２に示すように、ワークＷの測定面の位置が対物レンズ５の焦点位置Ｆと一致する場合は、フォーカスエラー信号Ｓは０（ゼロ）となる。換言すれば、フォーカスエラー信号Ｓは、合焦位置でゼロクロスするといえる。そして、フォーカスエラー信号Ｓの負のピーク値がフォーカスエラー信号Ｓの最小値ＭＩＮであり、フォーカスエラー信号Ｓの正のピーク値がフォーカスエラー信号Ｓの最大値ＭＡＸである。
【００３４】
この図２に示したフォーカスエラー信号Ｓは、上述したようにピンホール方式を採用した場合に生成される波形を示している。一方、後述するナイフエッジ方式にて生成される場合のフォーカスエラー信号Ｓの波形は、例えば図３に示すようになる。
【００３５】
これら図２および図３に示された波形を比較すれば分かるように、ピンホール方式では、フォーカスエラー信号Ｓのカーブ波形のピーク値が大きく、かつＳ／Ｎ比も大きいので、いわゆるノイズを小さくすることができるといえる。したがって、ピンホール方式によればナイフエッジ方式に比べて、良好な波形形状のフォーカスエラー信号Ｓを得ることができる。
【００３６】
また、フォーカシング制御装置１は、記憶部１１と、制御部１３と、移動制御部１５とを備えて構成されている。記憶部１１には、図２に示すようなフォーカスエラー信号Ｓの最小値ＭＩＮや最大値ＭＡＸが記憶されるとともに、信号生成部９からの出力（受光量信号Ｒを含む）の最小値および最大値や、この出力のレベルを判定するためのレベルしきい値などが記憶される。
【００３７】
制御部１３は、フォーカシング制御装置１の全体の制御を司るとともに、例えば信号生成部９からの出力に基づいて、フォーカスエラー信号Ｓが対物レンズ５の合焦条件を満たしているか否かを判定したり、フォーカスエラー信号Ｓのレベルをレベルしきい値（信号）と比較したり、受光量信号Ｒのレベルをレベルしきい値（光量）と比較したり、高周波信号を生成する処理を行う。また、制御部１３は、移動制御部１５を制御する制御信号に、生成した高周波信号を重畳する。
【００３８】
移動制御部１５は、制御部１３からの制御信号に基づいて、対物レンズ５を図１中矢印ＡおよびＢで示す方向（すなわち、光軸に沿った方向）に移動させる制御を行う。また、移動制御部１５は、制御部１３からの制御信号に重畳された高周波信号に基づいて、対物レンズ５を上記ＡおよびＢで示す方向に微細に振動させる制御を行う。この他、移動制御部１５は、ワークＷを支持する図示しないテーブルを光軸と直交する方向に移動させる制御を含んでいても良い。
【００３９】
（フォーカシング制御装置の構造）
次に、本実施形態に係るフォーカシング制御装置の具体的な構成について、光学式変位計を用いて説明する。図４は、光学式変位計を示すブロック図である。光学式変位計２１は、対物レンズ５および光軸方向（すなわち、上方向である図４中矢印Ａで示す方向、下方向である矢印Ｂで示す方向）に対物レンズ５を移動させるアクチュエータ２３を備える。
【００４０】
また、このアクチュエータ２３には、リニアエンコーダ２５が設けられている。リニアエンコーダ２５は、アクチュエータ２３の駆動により対物レンズ５の移動に伴って移動されるスケール２７と、このスケール２７を読み取る検出器２９とを備えて構成されている。
【００４１】
さらに、光学式変位計２１は、半導体レーザ３１と、ビームスプリッタ（偏光）３３と、集光レンズ３５とを備える。半導体レーザ３１は、例えば光ビーム発生手段として機能する。半導体レーザ３１で発生された光ビームＬ１は、ビームスプリッタ３３、集光レンズ３５および対物レンズ５を介してワークＷの測定面Ｍに照射される。
【００４２】
そして、ワークＷの測定面Ｍで反射された反射光Ｌ２は、対物レンズ５に入射したのち、集光レンズ３５で集光されてビームスプリッタ３３に再び導かれる。なお、この例の光学式変位計２１は、ビームスプリッタ３３で反射された反射光Ｌ２を２つの分割光Ｌ３に分けるビームスプリッタ（無偏光）３７をさらに備えている。
【００４３】
このビームスプリッタ３７を介して出射される一方の分割光Ｌ３の結像点Ｐの前には、ピンホール３９を有する板４１が配置されている。また、ビームスプリッタ３７を介して出射される他方の分割光Ｌ３の結像点Ｑの前には、ピンホール４３を有する板４５が配置されている。すなわち、この光学式変位計２１は、ピンホール方式を採用している。
【００４４】
そして、これら集光レンズ３５と、ビームスプリッタ３３と、ビームスプリッタ３７と、ピンホール３９，４３を有する板４１，４５とが、例えば光学系の一例として機能する。板４１，４５のピンホール３９，４３を通った各分割光Ｌ３，Ｌ３は、それぞれフォトダイオード４７，４９で受光されて光電変換され、電流電圧変換器５１，５３にて電圧に変換される。
【００４５】
これら電圧電流変換器５１，５３にて電圧に変換された信号は、オペアンプなどの差演算器５５および和演算器５７にそれぞれ入力される。差演算器５５は、フォトダイオード４７，４９の出力の差（Ａ−Ｂ）を演算する。和演算器５７は、フォトダイオード４７，４９の出力の和（Ａ＋Ｂ）を演算し、受光量信号Ｒを出力する。
【００４６】
さらに、これら差演算器５５および和演算器５７には、除算器５９が接続されている。この除算器５９は、差演算器５５の出力電圧を和演算器５７の出力電圧で割って（（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））、フォーカスエラー信号Ｓを出力する。そして、これらフォトダイオード４７，４９と、電流電圧変換器５１，５３と、差演算器５５と、和演算器５７と、除算器５９とが、信号生成手段の一例として機能する。
【００４７】
フォーカスエラー信号Ｓは、例えば図２に示すように、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆと一致する場合は０となり、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆに対して近い場合には正の値をとる。これに対して、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆから遠い場合には負の値をとる。このように、フォーカスエラー信号Ｓは、ほぼＳ字曲線状の信号波形を有する。
【００４８】
また、光学式変位計２１は、除算器５９の出力が入力されるサーボ制御回路６１と、これとスイッチ６３を介して接続されている信号合成回路６５と、この信号合成回路６５からの出力が入力されるアクチュエータドライバ６６とを備える。サーボ制御回路６１は、移動させるワークＷの表面である測定面ＭがワークＷの移動により変動することになって焦点が合わなくなった場合に、例えばＰＩＤ制御により対物レンズ５を焦点位置Ｆまで移動させるようにアクチュエータドライバ６６を制御してアクチュエータ２３を駆動させる。
【００４９】
すなわち、フォーカシングが終了したのちに、スイッチ６３をＤ／Ａ変換器７１側からサーボ制御回路６１側へ切り替え、ワークＷの移動による測定面Ｍにサーボ制御回路６１にて焦点合わせすることにより、ワークＷの表面の粗さなどが測定される。フォーカシングが終了したのちは、フォーカスエラー信号Ｓは大きく変化しないので、サーボ制御回路６１によるＰＩＤ制御にて焦点位置Ｆとなるように追従処理される。
【００５０】
信号合成回路６５は、例えばＩ／Ｏ（入出力ポート）７５を介してＣＰＵ６７から出力されたＯＮ／ＯＦＦ制御信号により、アクチュエータドライバ６６の制御信号に発振回路６５ａで発生された高周波信号を重畳するように合成する。なお、このＯＮ／ＯＦＦ制御信号は、ワークＷの反射率が高く、段差を有している場合等に、オペレータなどがキーボード等の入力手段を介してＣＰＵ６７に対して任意に指示する。また、このＯＮ／ＯＦＦ制御信号は、ＣＰＵ６７が特定の条件を判断して出力することもできる。また、検出器２９からの出力を後述するカウンタＩＣ７３やＣＰＵ６７にてフィルタリングする処理をＯＮ／ＯＦＦ操作により選択的に追加することにより、発振の影響を弱めるようにして測定データの変動を抑えるようにしてもよい。アクチュエータドライバ６６は、アクチュエータ２３の駆動を制御する。
【００５１】
さらに、光学式変位計２１は、ＣＰＵ６７と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器６９と、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器７１と、カウンタＩＣ７３と、Ｉ／Ｏ（入出力ポート）７５とを備える。これら各部は、データバス７７により互いに接続されている。
【００５２】
Ａ／Ｄ変換器６９は、和演算器５７および除算器５９に接続され、受光量信号Ｒやフォーカスエラー信号Ｓをデジタル信号に変換する。Ｄ／Ａ変換器７１は、スイッチ６３および信号合成回路６５を介してアクチュエータドライバ６６に接続されている。カウンタＩＣ７３は、リニアエンコーダ２５の検出器２９に接続されている。
【００５３】
このカウンタＩＣ７３は、検出器２９から出力される二相信号に基づいて計数する。Ｉ／Ｏ（入出力ポート）７５は、スイッチ６３の切り替え操作部と接続されている。そして、このＩ／Ｏ（入出力ポート）７５を介したＣＰＵ６７からの切り替え制御信号に基づき、スイッチ６３の切り替え制御が実行される。
【００５４】
アクチュエータドライバ６６は、ＣＰＵ６７からの制御信号に基づいて対物レンズ５が光軸に沿った方向に振動する状態にアクチュエータ２３を駆動制御（加振制御）する。また、アクチュエータドライバ６６は、上記制御信号に発振回路６５ａからの高周波信号が重畳されている場合は、アクチュエータ２３を微細振動するように制御する。
【００５５】
そして、この光学式変位計２１は、フォーカスエラー信号Ｓが得られた場合に、焦点位置Ｆを認識する処理が実行される。すなわち、例えばカウンタＩＣ７３にて検出器２９からの二相信号（リニアスケールＡ相信号、Ｂ相信号）に基づいて、ＣＰＵ６７は対物レンズ５の位置を認識する。
【００５６】
また、ＣＰＵ６７は、フォーカスエラー信号Ｓを認識した対物レンズ５との位置関係を認識し、位置補償制御により逐次対物レンズ５を移動させる制御をする。そして、ＣＰＵ６７では、ＰＩＤ制御するとともに位置補償制御し、対物レンズ５を焦点位置Ｆまで移動させるようにアクチュエータドライバ６６を制御し、アクチュエータ２３を駆動させてフォーカシング（焦点合わせ）を行う。
【００５７】
なお、アクチュエータドライバ６６と、アクチュエータ２３と、リニアエンコーダ２５とは、ワークＷの測定面Ｍが対物レンズ５の焦点位置Ｆに位置するように対物レンズ５をその光軸に沿って移動させる制御を、フォーカスエラー信号Ｓと判断されたことに基づいて実行する移動制御手段の一例として機能する。
【００５８】
（フォーカシング制御装置の動作）
本実施形態にかかるフォーカシング制御装置の具体的な一部の動作について、上述した光学式変位計２１を用いて説明する。図５は、フォーカシング制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。まず、半導体レーザ３１から光ビーム（照射光）Ｌ１が発射される（ステップＳ１００）。発射された光ビームは集光レンズ３５および対物レンズ５を通ってワークＷの測定面Ｍに照射される。
【００５９】
測定面Ｍからの反射光Ｌ２は、光ビームＬ１と逆の経路をたどって対物レンズ５から集光レンズ３５を経てフォトダイオード４７，４９にて受光される。そして、測定開始位置における初期焦点合わせが行われる。すなわち、フォトダイオード４７，４９からの受光信号が差演算器５５、和演算器５７および除算器５９により信号処理され、例えば和演算器５７から受光量信号Ｒが出力されるとともに（ステップＳ１０１）、除算器５９からフォーカスエラー信号Ｓが出力される（ステップＳ１０２）。
【００６０】
次に、焦点合わせ処理（ステップＳ１０３）が行われる。この焦点合わせ処理においては、スイッチ６３がＤ／Ａ変換器７１側に切り替えられ、ＣＰＵ６７からアクチュエータドライバ６６の制御信号が信号合成回路６５を経てアクチュエータドライバ６６に対して出力される。これにより、対物レンズ５が測定面Ｍに接近および離隔するように光軸方向に沿って上下に往復する。この往復移動の際のフォーカスエラー信号ＳのＳ字カーブがゼロクロスポイントとともに認識され、対物レンズ５の位置が認識されて、ゼロクロスポイントにおける対物レンズ５の合焦位置が算出される。
【００６１】
そして、ＣＰＵ６７は、認識した現在の対物レンズ５の位置と算出した合焦位置との偏差に基づいて、対物レンズ５を合焦位置に引き込む制御信号を発生し、信号合成回路６５を介してアクチュエータドライバ６６に対して出力する。アクチュエータドライバ６６は、この制御信号に基づいてアクチュエータ２３を駆動し、対物レンズ５を合焦位置に移動させる。
【００６２】
このような焦点合わせ処理を経て、サーボ制御回路６１によりサーボ制御が行われる（ステップＳ１０４）。このサーボ制御においては、スイッチ６３がサーボ制御回路６１側に切り替えられ、サーボ制御回路６１からＣＰＵ６７の制御信号に応じた駆動信号が信号合成回路６５を経てアクチュエータドライバ６６に出力され、アクチュエータ２３が駆動される（ステップＳ１０５）。
【００６３】
そして、アクチュエータ２３により対物レンズ５が光軸に沿った方向に移動され（ステップＳ１０６）、対物レンズ５の位置が合焦位置に制御される。このように対物レンズ５が合焦位置に制御されたら、フォーカスエラー信号Ｓの監視処理が行われる（ステップＳ１０７）。この監視処理では、除算器５９から出力されたフォーカスエラー信号ＳがＣＰＵ６７にて信号レベルしきい値と比較される。
【００６４】
例えば、フォーカスエラー信号Ｓの信号レベルが信号レベルしきい値内である場合は、ステップＳ１０４のサーボ制御が継続して実行される。すなわち、このような場合は、対物レンズ５と測定面Ｍとの距離が焦点距離からあまりずれていない領域であるサーボエリアに入っていると判断される。このとき、サーボ制御回路６１は、フォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスポイントからずれた量に基づく位置偏差を求め、この位置偏差を特性補償した制御信号をアクチュエータドライバ６６へ向けて信号合成回路６５を介して出力する。
【００６５】
続いて、受光量信号Ｒの光量レベル監視処理が行われる（ステップＳ１０８）。この監視処理では、和演算器５７から出力された受光量信号ＲがＣＰＵ６７にて光量レベルしきい値と比較される。例えば受光量信号Ｒの光量レベルが光量レベルしきい値以上である場合は、受光光量は十分であると判断され、対物レンズ５が正常に合焦位置に達したとされて（ステップＳ１０９のＹ）、対物レンズ５の位置がサンプリングされる（ステップＳ１１０）。その後、処理を終了するか否かが判断され（ステップＳ１１１）、終了すると判断された場合（ステップＳ１１１のＹ）は、本フローチャートによる一連の動作を終了する。
【００６６】
なお、このように動作するフォーカシング制御装置が非接触測定装置等に採用された場合は、上記ステップＳ１１０にて対物レンズ５の位置をサンプリングするときに、この対物レンズ５とともに移動されたスケール２７の変位を検出器２９にて検出する。そして、この検出器２９からのパルス信号をカウンタＩＣ７３にてカウントしたカウント値を取得して、このカウント値からＣＰＵ６７などで対物レンズ５の位置を算出した後、終了条件を満たすまでワークＷを移動させて同様の処理を繰り返し、ワークＷの測定データを得ればよい。
【００６７】
一方、上記フォーカスエラー信号Ｓの監視処理（ステップＳ１０７）にて、フォーカスエラー信号Ｓの信号レベルが信号レベルしきい値を超えている場合は、サーボエリアを超えて対物レンズ５と測定面Ｍとの距離が焦点距離から比較的大きくずれていると判断される。この場合は、ステップＳ１０４のサーボ制御を停止するとともに、ステップＳ１０３に移行して焦点合わせ処理が行われる。
【００６８】
このとき、例えば信号レベルしきい値を超えた直後の不安定な状態に基づいて焦点合わせを実行することを避け、安定時間経過後に十分に安定したフォーカスエラー信号Ｓに基づいて正確な焦点合わせを行うため、安定時間を確保するための所定時間（例えば、５００μｓ）のカウントが行われる。そして、安定時間が経過したところで、サーボ制御が停止され、動作を中止して処理を終了する。
【００６９】
また、光量レベル監視処理（ステップＳ１０８）にて、受光量信号Ｒの光量レベルが光量レベルしきい値を下回っている場合は、例えばその継続時間がカウントされ、光量レベルしきい値を下回る時間が所定時間（例えば、２５０ｍｓ）以内であれば、光量レベルは十分であると判断されて、ステップＳ１０９における合焦位置の判断処理が行われる。
【００７０】
本実施形態では、ワークＷの反射率が高く、段差を有している場合、オペレータの入力操作でＣＰＵ６７にＯＮ／ＯＦＦ制御信号をアクティブにするように指示を与える。これにより、アクチュエータ２３を微細振動させて対物レンズ５を細かく上下に振動させることができる。この結果、意図的に合焦スポットを外して合焦条件を満足させないようにすることができるので、外乱光に合焦してしまった場合を除外することができる。
【００７１】
例えば、図７（ａ）に示すように、測定データＳＤ中にワークＷの測定面Ｍの段差や端面に起因する外乱光に反応したオーバーシュート（あるいはアンダーシュート）ＳＵが発生してしまうようなワークＷを測定する場合、上述したように、アクチュエータ２３を微細振動させて、フィルタリングする処理をＯＮにすると、図７（ｂ）に示すように測定データＳＤ中にオーバーシュート（あるいはアンダーシュート）ＳＵが発生することを確実に抑制することが可能となる。
【００７２】
このため、このフォーカシング制御装置１によれば、特に非接触測定装置等に採用された場合に反射率の高いワークＷの測定面Ｍにおける段差や端面においても外乱光に影響されることなく、オーバーシュートやアンダーシュートを抑制して安定したオートフォーカスを実現することができ、外乱光に追従する時間を抑えて無効測定データの取得を抑制することができる。
【００７３】
また、このようにアクチュエータ２３を微細振動させることは、本例のフォーカシング制御装置１のようにピンホール方式を採用した場合であっても、ナイフエッジ方式を採用した場合であっても有効であるが、ナイフエッジ方式を採用する場合は、さらに次のようにしてもよい。
【００７４】
図８は、上記フォーカシング制御装置にナイフエッジ方式を採用した場合を説明するための説明図である。図８（ａ）に示すように、ビームスプリッタ３３からの光をエッジミラー８５で分割し、２分割フォトダイオード８１，８３にて受光するナイフエッジ方式の場合は、図８（ｂ）に示すように動作する。
【００７５】
すなわち、受光面ａ，ｂ，ａ’，ｂ’を備える２分割フォトダイオード８１，８３にてそれぞれ受光されて光電変換された受光信号を、電流電圧変換器８７ａ，８７ｂ，８９ａ，９ｂにて電圧に変換する。そして、和演算器８２，８２にて光量ａ＋ｂ，ａ’＋ｂ’を得て、上記ステップＳ１０８にて光量レベルを監視する。
【００７６】
光量レベルは、例えば上記光量ａ＋ｂ，ａ’＋ｂ’が等しい（すなわち、ａ＋ｂ＝ａ’＋ｂ’）か否かにより判定される。そして、光量レベルしきい値との比較に代わり、あるいは加えて、光量レベルが０を含む近傍値であるか否かの判断（すなわち、ａ＋ｂ≒０およびａ’＋ｂ’≒０の少なくとも一つであるかの判断）を行い、近傍値であると判断された場合は、アクチュエータ２３を微細振動させて合焦スポットを外せばよい。
【００７７】
このようにすれば、フォーカシング制御装置１にナイフエッジ方式を採用した場合であっても、光軸に対して最大角度で対物レンズ５に入ってしまう外乱光への合焦を防止して、上記と同様に測定面Ｍの段差や端面で発生する測定データのオーバーシュートやアンダーシュートを効果的に抑制することが可能となる。
【００７８】
［非接触測定装置］
非接触測定装置は、ワークＷの測定面Ｍとの距離を変位量として非接触に検出し、これを基にして各種測定を実行する（例えば、図６に示したような測定面Ｍの形状評価や粗さ評価、倣い測定など）。この発明の一実施形態にかかる非接触測定装置は、上記光学式変位計２１を含む構成であるため、この光学式変位計２１をワークＷ上で移動させて測定面Ｍを測定した際の測定面Ｍの段差や端面における外乱光に合焦した場合は、次のように動作することができる。
【００７９】
すなわち、図５に示したステップＳ１０８での光量レベル監視処理にて、光量レベルが微小であったり（ピンホール方式、ナイフエッジ方式の両方に有効）、光量レベルが０を含む近傍値であったり（ナイフエッジ方式に有効）して外乱光に合焦したと判断された場合は、非接触測定装置は、光学式変位計２１に上述した合焦スポットを外させるためのアクチュエータ２３を微細振動させる処理を実行させる。
【００８０】
そして、ワークＷに対して光学式変位計２１を測定方向とは反対に僅かに戻したところで、再度上記ステップＳ１０３の焦点合わせ処理を行わせ、再び測定を再開することで、ワークＷの測定面Ｍの段差や端面での測定データのオーバーシュートやアンダーシュートを抑えつつ測定を行うことができる。この場合、光学式変位計２１を戻した場所の位置は、非接触測定装置の座標情報により把握することができるので、測定を開始位置から再開しなくてもワークＷの測定データを繋いで得ることが可能となる。なお、光学式変位計２１を測定開始位置に戻し、アクチュエータ２３を微細振動させた上で測定をやり直すことで測定データを得るようにしてもよい。
【００８１】
このような非接触測定装置は、例えば次のように構成される。図９は、この発明の一実施形態にかかる非接触測定装置９０の全体構成の例を示す斜視図である。非接触測定装置９０は、三次元測定機９１と、この三次元測定機９１を駆動制御するとともに必要なデータ処理等を実行するコンピュータシステム９３とにより構成されている。
【００８２】
三次元測定機９１は、架台９５と、この架台９５に取り付けられた測定テーブル９７とを備える。測定テーブル９７には、測定面を有するワークＷが載置される。この測定テーブル９７は、図示しないＹ軸駆動機構によって、図９中矢印Ｙで示すＹ軸方向に駆動される。
【００８３】
架台９７の両側縁中央部には、上方に延びる支持アーム１１１，１１３が固定されている。また、各支持アーム１１１，１１３の両上端部を連結するように、Ｘ軸ガイド１１５が固定されている。このＸ軸ガイド１１５には、撮像ユニット１１７が支持されている。撮像ユニット１１７は、図示しないＸ軸駆動機構によって、図９中矢印Ｘで示すＸ軸方向にＸ軸ガイド１１５に沿って駆動される。
【００８４】
撮像ユニット１１７には、本実施形態にかかる光学式変位計２１が配置されている。この光学式変位計２１は、図示しないＺ軸駆動機構によって、図９中矢印Ｚで示すＺ軸方向に沿って駆動される。
【００８５】
コンピュータシステム９３は、測定情報処理および各種制御を司るコンピュータ１２１と、各種指示情報等を入力するためのキーボード１２３、ジョイスティックボックス１２５およびマウス１２７と、測定画面、指示画面および測定結果を示す情報等を表示するディスプレイ装置１２９と、測定結果を示す情報等を印刷出力するプリンタ１３１とを備える。なお、キーボード１２３やマウス１２７等が、オペレータの指示（信号合成回路６５へのＯＮ／ＯＦＦ制御信号等を含む）等を入力する入力手段として機能する。
【００８６】
なお、その他の例として、この非接触測定装置においても、上述したように反射率の高いワークＷを測定する場合は、例えばワークＷの測定開始前にアクチュエータ２３を常時微細振動させる設定として測定を開始するようにすれば、光学式変位計２１の外乱光への焦点追従を効果的に防止しつつ、外乱光に追従する時間を抑えて無効測定データの取得を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１…フォーカシング制御装置、３…光ビーム発生部、５…対物レンズ、７…光学系、９…信号生成部、１１…記憶部、１３…制御部、１５…移動制御部、２１…光学式変位計、２３…アクチュエータ、２５…リニアエンコーダ、２７…スケール、２９…検出器、３１…半導体レーザ、３３…ビームスプリッタ、３５…集光レンズ、３７…ビームスプリッタ、３９…ピンホール、４１…板、４３…ピンホール、４５…板、４７，４９…フォトダイオード、５１，５３…電流電圧変換器、５５…差演算器、５７…和演算器、５９…除算器、６１…サーボ制御回路、６３…スイッチ、６５…信号合成回路、６５ａ…発振回路、６６…アクチュエータドライバ、６７…ＣＰＵ、６９…Ａ／Ｄ変換器、７１…Ｄ／Ａ変換器、７３…カウンタＩＣ、７５…Ｉ／Ｏ、７７…データバス、８１，８３…２分割フォトダイオード、８２…和演算器、８５…エッジミラー、８７ａ，８７ｂ，８９ａ，８９ｂ…電流電圧変換器、９０…非接触測定装置、９１…三次元測定機、９３…コンピュータシステム、９５…架台、９７…測定テーブル、１１１，１１３…支持アーム、１１５…Ｘ軸ガイド、１１７…撮像ユニット、１２１…コンピュータ、１２３…キーボード、１２５…ジョイスティックボックス、１２７…マウス、１２９…ディスプレイ装置、１３１…プリンタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定面に向けて光ビームを発生する光ビーム発生手段と、
前記測定面に光ビームが照射されることにより前記測定面で反射された反射光が入射する対物レンズと、
前記対物レンズを通った反射光を二つの分割光に分割すると共に、前記対物レンズの移動に伴って前記分割光の光量を増減させる光学系と、
前記対物レンズと前記測定面とを前記光軸に沿った方向に相対移動させる移動手段と、
前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理手段と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御手段と、を備えたフォーカシング制御装置において、
前記移動制御手段は、高周波信号を生成する発振手段と、前記発振手段により生成された高周波信号を前記移動手段を制御する制御信号に重畳する信号合成手段とを備える
ことを特徴とするフォーカシング制御装置。
【請求項２】
前記受光信号処理手段は、前記受光信号の光量を判定する光量判定手段を備え、
前記移動制御手段は、前記受光信号処理手段により出力されたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視手段を備え、前記フォーカスエラー信号監視手段により前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定手段により前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成手段を介して前記高周波信号を前記制御信号に重畳したうえで、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させる
ことを特徴とする請求項１記載のフォーカシング制御装置。
【請求項３】
前記光学系は、ピンホール方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、
前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させる
ことを特徴とする請求項２記載のフォーカシング制御装置。
【請求項４】
前記光学系は、ナイフエッジ方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、
前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させる
ことを特徴とする請求項２記載のフォーカシング制御装置。
【請求項５】
測定面上の測定すべき測定ポイントを入力する入力手段と、
前記入力手段を用いて入力された前記測定ポイントとの距離を変位量として非接触に検出する、請求項１〜４のいずれか１項記載のフォーカシング制御装置を含む光学式変位計と
を備えたことを特徴とする非接触測定装置。
【請求項６】
測定面に向けて光ビーム発生手段により発生された光ビームを照射するとともに前記測定面で反射された反射光に基づいて、前記測定面に対して光軸に沿った方向に相対移動可能である対物レンズを移動させることにより、前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように制御するフォーカシングサーボ制御方法において、
前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理工程と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御工程とを備え、
前記移動制御工程は、高周波信号を生成する発振工程と、前記高周波信号を前記対物レンズを移動制御する制御信号に重畳する信号合成工程とを含む
ことを特徴とするフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項７】
前記受光信号処理工程は、前記受光信号の光量を判定する光量判定工程を含み、
前記移動制御工程は、前記受光信号処理工程にて得られたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視工程と、前記フォーカスエラー信号監視工程にて前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成工程にて前記発振工程で生成された高周波信号を前記制御信号に重畳し、前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させる
ことを特徴とする請求項６記載のフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項８】
前記移動制御工程では、ピンホール方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることを特徴とする請求項７記載のフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項９】
前記移動制御工程では、ナイフエッジ方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることを特徴とする請求項７記載のフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項１】
測定面に向けて光ビームを発生する光ビーム発生手段と、
前記測定面に光ビームが照射されることにより前記測定面で反射された反射光が入射する対物レンズと、
前記対物レンズを通った反射光を二つの分割光に分割すると共に、前記対物レンズの移動に伴って前記分割光の光量を増減させる光学系と、
前記対物レンズと前記測定面とを前記光軸に沿った方向に相対移動させる移動手段と、
前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理手段と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御手段と、を備えたフォーカシング制御装置において、
前記移動制御手段は、高周波信号を生成する発振手段と、前記発振手段により生成された高周波信号を前記移動手段を制御する制御信号に重畳する信号合成手段とを備える
ことを特徴とするフォーカシング制御装置。
【請求項２】
前記受光信号処理手段は、前記受光信号の光量を判定する光量判定手段を備え、
前記移動制御手段は、前記受光信号処理手段により出力されたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視手段を備え、前記フォーカスエラー信号監視手段により前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定手段により前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成手段を介して前記高周波信号を前記制御信号に重畳したうえで、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させる
ことを特徴とする請求項１記載のフォーカシング制御装置。
【請求項３】
前記光学系は、ピンホール方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、
前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させる
ことを特徴とする請求項２記載のフォーカシング制御装置。
【請求項４】
前記光学系は、ナイフエッジ方式により前記反射光を複数の受光素子によりそれぞれ受光する構造からなり、
前記移動制御手段は、前記光量判定手段により前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させる
ことを特徴とする請求項２記載のフォーカシング制御装置。
【請求項５】
測定面上の測定すべき測定ポイントを入力する入力手段と、
前記入力手段を用いて入力された前記測定ポイントとの距離を変位量として非接触に検出する、請求項１〜４のいずれか１項記載のフォーカシング制御装置を含む光学式変位計と
を備えたことを特徴とする非接触測定装置。
【請求項６】
測定面に向けて光ビーム発生手段により発生された光ビームを照射するとともに前記測定面で反射された反射光に基づいて、前記測定面に対して光軸に沿った方向に相対移動可能である対物レンズを移動させることにより、前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように制御するフォーカシングサーボ制御方法において、
前記測定面からの反射光を受光して得られる受光信号を光電変換してフォーカスエラー信号を生成する受光信号処理工程と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて前記測定面が前記対物レンズの焦点位置に位置するように前記対物レンズを前記光軸に沿って移動させる制御を行う移動制御工程とを備え、
前記移動制御工程は、高周波信号を生成する発振工程と、前記高周波信号を前記対物レンズを移動制御する制御信号に重畳する信号合成工程とを含む
ことを特徴とするフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項７】
前記受光信号処理工程は、前記受光信号の光量を判定する光量判定工程を含み、
前記移動制御工程は、前記受光信号処理工程にて得られたフォーカスエラー信号を監視して前記対物レンズの合焦条件を満たしているか否かを判定するフォーカスエラー信号監視工程と、前記フォーカスエラー信号監視工程にて前記フォーカスエラー信号が前記対物レンズの合焦条件を満たしていると判定され、かつ前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が所定の条件を満たしていると判定された場合に、前記信号合成工程にて前記発振工程で生成された高周波信号を前記制御信号に重畳し、前記対物レンズを前記光軸に沿った方向に微細振動させる
ことを特徴とする請求項６記載のフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項８】
前記移動制御工程では、ピンホール方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量があらかじめ設定された光量レベル未満であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることを特徴とする請求項７記載のフォーカシングサーボ制御方法。
【請求項９】
前記移動制御工程では、ナイフエッジ方式により前記反射光を受光する場合に、前記光量判定工程にて前記受光信号の光量が等しく、かつ光量レベルが０を含む近傍値の範囲内であると判定されたときに、前記対物レンズを微細振動させることを特徴とする請求項７記載のフォーカシングサーボ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２０５３４４（Ｐ２０１０−２０５３４４Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０１７１（Ｐ２００９−５０１７１）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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