光学式測定装置
【課題】機械的走査機構を使用しない、高速、高分解能、かつ高耐久性の光学式測定装置を提供する。
【解決手段】発光素子１から出射され、偏向素子２により偏向されたビームＢ１を基にした平行ビームＢ２で測定対象物Ｗが位置する走査領域を繰り返し走査する投光手段３と、走査領域を通過したビームＢ２を受光して走査信号Ｓ１を出力する受光手段３２と、走査信号を処理して測定値を得る制御手段３３とを備える。偏向素子２は、電圧の印加によってビームの偏向角を決定する光学的特性が変化する。制御手段３３は、偏向素子２に電圧を印加して、偏向素子２の光学的特性を制御する。
【解決手段】発光素子１から出射され、偏向素子２により偏向されたビームＢ１を基にした平行ビームＢ２で測定対象物Ｗが位置する走査領域を繰り返し走査する投光手段３と、走査領域を通過したビームＢ２を受光して走査信号Ｓ１を出力する受光手段３２と、走査信号を処理して測定値を得る制御手段３３とを備える。偏向素子２は、電圧の印加によってビームの偏向角を決定する光学的特性が変化する。制御手段３３は、偏向素子２に電圧を印加して、偏向素子２の光学的特性を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行ビームを利用する走査型の光学式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式測定装置は、測定対象物が位置する走査領域を隔てて配置された投光部と受光部とを備え、投光部からの平行ビームにより走査領域を繰り返し走査し、走査領域を通過したビームを受光部で受光し、これにより発生した走査信号に所定の処理をして、測定対象物の直径や振れ等を測定するものである。具体的には、投光部からの平行ビームを上から下（または、下から上）へと繰り返し走査することにより、測定領域に配置された被測定物により遮られたビームの遮蔽時間を測定することで、被測定物の寸法を測定する。
【０００３】
光学式測定装置の代表的なものに、光源として半導体レーザ等のレーザ光を使用したレーザ走査型測定装置がある。従来のレーザ走査型測定装置としては、ビームの走査手段として、高速で回転するポリゴンミラーを使用するもの（例えば、特許文献１）、及びガルバノスキャナーを使用するものが存在する。
【特許文献１】特開２００６−３８４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの走査手段は、機械的走査機構のため、ダウンサイジングや走査速度の高速化に限界があり、現状では、性能向上の余地が少ない。
【０００５】
ポリゴンミラー方式の場合、モータを使用してポリゴンミラーを回転させて走査を行っている。８面のミラーを使用したと仮定すると、２０００回／秒を実現するために、モータを１５０００rpmで回転させる必要がある。この回転数は、通常のモータ及び軸受けでは、耐久性の限界に相当する。
【０００６】
一方、ガルバノスキャナー方式の場合、ガルバノスキャンモータにより、１枚のミラーの反射角度を変化させることにより走査を行っている。この方式でも、走査速度は実用的に、２０００回／秒が限界である。
【０００７】
従来、機械的走査機構を使用しない光学式測定装置として、受光部にインラインセンサを利用したものがある。この方式では、ビームを走査する必要がない。この場合、装置全体の測定範囲、分解能、測定スピードなどのすべての性能は、使用するインラインセンサの性能に依存する。高分解能、高感度、高応答速度を有する素子の供給は限られているので、光学式測定装置の設計自由度が非常に制限される。高性能なインラインセンサの供給が制限されている理由のひとつとして、インラインセンサが主にコピー機等の撮像素子として開発されてきたため、計測器が要求する性能と異なるという経緯がある。したがって、インラインセンサは高性能を要求する測定には実用的ではなく、ポリゴンミラー方式のレーザ走査型測定装置が多用されているのが現状である。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、機械的走査機構を使用しない、高速、高分解能、かつ高耐久性の光学式測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る光学式測定装置は、発光素子から出射され、偏向素子により偏向されたビームを基にした平行ビームで測定対象物が位置する走査領域を繰り返し走査する投光手段と、走査領域を通過したビームを受光して走査信号を出力する受光手段と、走査信号を処理して測定値を得る制御手段と、を備え、偏向素子は、電圧の印加によってビームの偏向角を決定する光学的特性が変化するものであり、制御手段は、偏向素子に電圧を印加して、偏向素子の光学的特性を制御することを特徴とする。
【００１０】
上記偏向素子として、ＫＴＮ結晶（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を使用することが好ましい。
【００１１】
固体のビーム偏向素子として、ＫＴＮ結晶素子を使用することにより、高い走査速度を達成することができる。また、ＫＴＮ結晶素子の大きさも小型化することができるため、装置全体を小型化及び軽量化することができる。さらに、ＫＴＮ結晶は将来的に量産化により低価格化が予想され、装置コストの削減が期待できる。さらにまた、レーザビームの走査方式が機械的方式から固体素子に代替されることにより信頼性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、機械的走査機構を使用しない、高速、高分解能、かつ高耐久性の光学式測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ走査型測定装置を説明するブロック図である。レーザ走査型測定装置３０は、投光部３１、受光部３２、及び制御部３３を備えて構成されている。投光部３１と受光部３２とは、走査領域Ｒを挟んで対向配置されている。走査領域Ｒは、被測定物Ｗを配置する装置外部の領域である。制御部３３は、図示しないケーブルにより、投光部３１及び受光部３２と接続され、測定に必要な各種制御を実行する。
【００１５】
投光部３１は、半導体レーザのような発光素子１と、素子１から出射されたビームＢ１が入射するＫＴＮ結晶から成る偏向素子２と、偏向素子２によって偏向されたビームが通過する焦点位置補正光学系３と、ビームを反射する複数のミラー４，５，６と、ミラー４，５，６により反射されたビームを平行ビームＢ２にするためのコリメートレンズ７とを含む。焦点位置補正光学系３と、コリメートレンズ７との間に配置されるミラーの数は３つに限定されるものではなく、それ以上でもそれ以下でもよい。
【００１６】
投光部３１を構成するこれらの部品は、キャビネット４２に収容されている。キャビネット４２の一方の側面には、コリメータレンズ７と対向するように、保護ガラス４０が嵌め込まれた窓が設けられている。平行ビームＢ２は、保護ガラス４０を透過して走査領域Ｒを照射する。
【００１７】
受光部３２は、走査領域Ｒを通過した平行ビームＢ２が入射する集光レンズ９と、集光レンズ９で集光されたビームＢ３を受光して走査信号Ｓ１を出力する受光素子１０と、走査信号Ｓ１を増幅するアンプ３８とを備える。受光素子１０は、例えばフォトダイオードである。集光レンズ９、受光素子１０、及びアンプ３８は、キャビネット４３に収容されている。キャビネット４３の一方の側面には、集光レンズ９と対向するように、保護ガラス４１が嵌め込まれた窓が設けられている。走査領域Ｒを通過した平行ビームＢ２は、保護ガラス４１を通過して集光レンズ９に入射する。窓の上下のキャビネットの内側にはフライングタイム計測板２２，２３が設けられている。
【００１８】
ここで、フライングタイム計測板２２、２３について詳細に説明する。フライングタイム計測板２２、２３は、ビームＢ２が走査する際に２枚のフライングタイム計測板２２、２３の間を通過する時間を測定するためのものである。ビームＢ２の走査速度は理論的には電子回路のクロックで決まる。しかし、偏光素子２は、温度に極めて敏感であり、偏向素子２の温度により、印加電圧に対する偏向角特性が変化する。また、レーザ走査型測定装置３０の各種部品のばらつき、アライメント誤差（例えば、偏光素子２とコリメータレンズ７との間の寸法）などの組立上のばらつきによってもビームの照射幅のばらつきや走査速度のばらつきが生じる。そのため、２枚のフライングタイム計測板２２、２３を使用して、実際のビームＢ２の走査速度を測定し、測定値を補正する必要がある。
【００１９】
具体的には、２枚のフライングタイム計測板２２、２３をビームＢ２が通過する時間を測定し、上記したばらつきがないとした場合の通過時間からずれた分の比率に応じて、補正係数を乗算する。こうして、ばらつきを考慮した所定の精度内の測定値を得ることができる。補正方法として他に、基準ゲージを測定して、所望寸法のゲージによる校正をし、その所望寸法近傍で比較測定を行う方法、または複数種類のゲージを使って測定を行い、測定範囲全域を多点で補正する方法などがある。
【００２０】
フライングタイム計測板２２、２３による測定結果を、レーザ走査型測定装置３０の初期組立時の調整に使用することもできる。その結果、組立上の初期ばらつきによる偏向特性のばらつきが解消される。
【００２１】
上記したように偏向素子２は温度に対して極めて敏感であるため、測定時には、偏向素子２の温度を所定の範囲に制御する必要がある。温度制御は、例えば、温度を検出するための白金温度センサ（図示せず）及び発熱体としてのペルチェ素子、薄膜発熱体等（図示せず）を使用して行われる。
【００２２】
次に、制御部３３について説明する。制御部３３は、アンプ３８で増幅された走査信号Ｓ１を整形してエッジ検出信号Ｓ２を出力するエッジ検出部１１を備える。エッジ検出部１１は、特定のしきい値を基準にして走査信号Ｓ１を整形してエッジを検出する。
【００２３】
制御部３３は、エッジ検出信号Ｓ２からエッジ間がアクティブになるゲート信号を生成すると共に、このゲート信号でクロックパルスをゲートした信号Ｓ３を出力する。制御部３３は、さらに、上記クロックパルスを発生させるクロックパルス発振器１４、及び信号Ｓ３のパルス数を計数するカウンタ１３を備える。
【００２４】
また制御部３３は、測定に必要な各種制御を行うＣＰＵ１５と、測定に必要な各種データ等を記憶するメモリ１８と、測定値等を表示する表示部１６と、測定に必要な各種設定を入力するための設定キー１７と、外部装置との間でデータの入出力を行う外部インターフェイス部２１とを備える。
【００２５】
さらに制御部３３は、メモリ１８に記憶されたデジタル化補正データをアナログ信号に変換するためのＤ/Ａ変換器１９と、Ｄ/Ａ変換器１９からの出力信号を受信して偏向素子２を駆動するためのドライブ回路２０とを備える。
【００２６】
ＣＰＵ１５、メモリ１８、ゲート信号発生回路１２、カウンタ１３、Ｄ/Ａ変換器１９、表示部１６、設定キー１７、及び外部インターフェイス部２１は、メインバス３４により互いに接続されている。
【００２７】
次に、レーザ走査型測定装置を用いて測定値（例えば、被測定物Ｗの直径）を得る動作について、図１及び図２を用いて説明する。図２は、この測定動作を説明するためのタイミングチャートである。まず、クロックパルスＣＬＫと同調して、発光素子１からビームＢ１を出射させる。ビームＢ１は、偏向素子２で偏向された後、ミラー４，５，６で反射されて、コリメートレンズ７により平行ビームＢ２にされる。平行ビームＢ２により、測定対象物Ｗが配置される走査領域Ｒが繰り返し走査される。
【００２８】
走査領域Ｒを通過したビームは、集光レンズ９で集光されて、受光素子１０で受光される。これにより、受光素子１０から走査信号Ｓ１が出力される。受光素子１０の受光面は被測定物Ｗにより遮られるため、走査信号Ｓ１はこれに対応した波形となる。ｓは、一回分の走査で出力される走査信号を示している。電圧の低い箇所Ｌは被測定物Ｗの直径と対応している。
【００２９】
走査信号Ｓ１はアンプ３８で増幅され、エッジ検出部１１に入力する。測定には、所定のしきい値（例えば、しきい値５０％）で生成された二値化信号が用いられる。
【００３０】
走査信号Ｓ１が整形回路１１に入力されると、しきい値５０％で整形されたエッジ検出信号Ｓ２が出力される。この信号Ｓ２を基にして、ゲート回路１２からクロックパルスＣＬＫをゲートした信号Ｓ３が出力される。これにより、ゲート信号が「Ｌ」の期間のクロックパルスＣＬＫの個数がカウンタ１３で計測される。換言すれば、受光素子１０が被測定物Ｗで遮られてビームＢ３を受光できない期間のクロックパルスＣＬＫが計測される。この個数を用いて測定値（ここでは、被測定物Ｗの直径）がＣＰＵ１５で演算される。走査領域Ｒは繰り返し走査されるので、何回分かのデータを平均した値が測定値として表示部１６に表示される。
【００３１】
設定キー１７において、信号処理の手順、走査線の歪みを補正するための補正値等を入力する。設定キー１７からの補正値を含むデジタル信号は、メインバス３４を介してＤ/Ａ回路１９に入力する。そこで信号はアナログ信号に変換されて、以下で詳細に説明する偏向素子２及びコリメートレンズ７の光学的特性を補正する電圧パターン信号Ｓ４が生成される。この電圧パターン信号Ｓ４がドライブ回路２０に入力し、ドライブ回路２０は偏向素子２を駆動する。この動作の詳細については以下で説明する。
【００３２】
本実施の形態の特徴は、偏向素子２として、ＫＴＮ結晶を使用した点にある。ここで、ＫＴＮ結晶について、説明する。ＫＴＮ結晶（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）は、カリウム（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）及び酸素（Ｏ）から成る透明な光学結晶である。その特徴は、光偏向効率が高く大きなスキャン角度を得ることができる点、超小型化（６ｍｍ角）できる点、動作速度が超高速（例えば、１００００回／秒）でありマイクロ秒応答が可能である点などである。
【００３３】
次に、ＫＴＮ結晶の動作原理について説明する。ＫＴＮ結晶に電圧を印加すると電子の注入が生じ、傾斜電場が生成される。それにより、光の屈折率の分布が発生する。この屈折率のグラデーション効果は、ＫＴＮ結晶の誘電率が非常に高いという特性のために顕著に現れる。結果として、高速かつ広角なビームスキャンが可能になる。ＫＴＮ結晶の特性についてはさらに以下で詳細に説明する。
【００３４】
図１に戻って説明を続ける。発光素子１から出射したビームＢ１は、ＫＴＮ結晶から成る偏向素子２の入力端に入射する。ビームＢ１は、ＫＴＮ結晶に印加された電圧により偏向されて、偏向素子２の出力端から出射する。偏向素子２からの出射ビームはＫＴＮ結晶の特性により歪むため、焦点位置補正光学系３によりその影響が除去される。こうして補正されたビームは、変位を拡大するために、３枚のミラー４，５，６で反射されてコリメートレンズ７に導かれる。コリメートレンズ７において、ビームは平行ビームに変換される。
【００３５】
次に、ＫＴＮ結晶の特性について図３を参照しながら、さらに詳細に説明する。上記したように、ＫＴＮ結晶に電圧を印加すると、屈折率のグラデーションにより、ビームが偏向する。図３のビームＬ１、Ｌ２、Ｌ３を比較すると、徐々にビームの曲がり具合が大きくなることがわかる。図上の角度θはビームが偏向しない場合の基準線に対する偏向したビームの角度を示す。角度θが大きくなるに従い、ビームの回転中心が図の矢印Ａの方向へずれる様子が描かれている。走査されたビームの回転中心が移動するとコリメートレンズ７で平行ビームに変換することができない。その理由を以下で図４を参照しながら説明する。
【００３６】
図４は、偏向素子により偏向されたビームがコリメートレンズをどのように通過するかを示したものである。ビームIが平行ビームになるように、コリメートレンズを調整したとすると、ビームII、ビームIII、ビームIVと偏向角度が徐々に大きくなるに従い、偏向素子の特性により、ビームの回転中心が矢印Ａ方向へ移動するため、コリメートレンズを通過したビームが互いに平行にならず、徐々に角度を有するようになる。
【００３７】
したがって、コリメートレンズを通過したビームが平行ビームを形成するようにするためには、補正を行う必要がある。図５は、本実施の形態に従う、補正方法を示したものである。偏向素子２から出射されたビームは、焦点位置補正光学系３により、偏向角度に応じて補正された後、コリメートレンズ７に入射する。焦点位置補正光学系３は、偏向素子２により偏向されるビームの回転中心を、見かけ上、一点に固定するように補正することができる。結果として、コリメートレンズ７を通過したビームI’II’III’IV’は互いに平行になる。
【００３８】
図３に戻って、説明を続ける。上記したように、ＫＴＮ結晶に印加する電圧によってビームの進行方向が徐々に偏向する。その曲がり方は、従来のポリゴンミラーやガルバノミラーのように、ある一点を中心として曲がるのではなく、図３に示すように、結晶内部の電界の作用で徐々に曲がる点に特徴がある。ビームの曲がる角度は、印加電圧の２乗に比例する。結果として、図のような極性で電圧を印加した場合、ビームの回転中心がダウンストリーム側（すなわち、矢印Ａ方向）に移動する現象と、ビームが曲がる角速度が変化する現象とが同時に起こる。したがって、より高精度な測定を行うためには、補正は、２段階で実行する必要がある。すなわち、第１段階補正として、図５で説明したように、結晶から出射されるビームの回転中心が見かけ上一点となるような補正を実行する。第２段階補正として、回転中心を基準にして偏向するビームの角速度を同じにして、等速の平行ビームを得るような補正を実行する。
【００３９】
焦点位置補正レンズ３は、上記第１段階補正を実行する機能を有する非球面レンズである。しかし、上記したように、焦点位置補正レンズ３によりビームの回転中心の位置補正がなされたのみでは、平行ビームは互いに等速ではない。そこで、第２段階補正として、偏向素子２に印加する電圧パターンを制御し、ビームの偏向速度を等速にする補正を実行する。具体的には、メモリ１８に記憶された印加電圧の補正データがメインバス３４を介してＤ/Ａ変換器１９に入力する。Ｄ/Ａ変換器１９は補正された電圧パターンを生成する。これがドライブ回路２０に与えられて、偏向素子２を駆動することにより、偏向速度の補正が達成される。
【００４０】
偏向速度補正の原理について、図６から図８を参照してさらに詳細に説明する。図６は偏向素子２の特性を示したグラフである。縦軸は比偏向角（θｒ）、横軸は比電圧（Ｖｒ）をそれぞれ表している。ここで、偏向素子特性は正規化してあるため、各軸は比率で示している。曲線(a)は、ＫＴＮ結晶の実際の特性を示し、直線(b)は、要求される素子特性を示している。要求される素子特性は線形であるのに対して、実際のＫＴＮ結晶は非線形（２乗）特性を有している。例えば、０．４θｒの比偏向角を得るために、０．４Ｖｒの比電圧では足りず、０．６３２Ｖｒの比電圧を与える必要がある。そこで、例えば図７に示すような補正した電圧パターンＢを与えることにより、図８に示すように、比偏向角と比電圧との間で線形関係を得ることが可能になる。図７において、波形Ａは偏向素子に印加される補正前の電圧パターンの一例である。これに対して、波形Ｂは補正後の電圧パターンの一例を示している。
【００４１】
電圧補正パターンに対応する数値データは、設定キー１７から直接入力してもよいが、偏向素子２のダウンストリーム側にセンサを配置することにより、そのセンサから偏向速度情報を含む信号を捕獲し、それを二値化してＣＰＵ１５にフィードバックし、さらに修正した補正信号を生成してＤ/Ａ変換器１９に戻す方法も可能である。この方法によれば、印加電圧の変動や、ＫＴＮ結晶の製品ばらつきによるエラーを自己調整することが可能である。
【００４２】
さらに、本実施の形態によれば、コリメートレンズ特性の補正をすることもできる。一般に、等角速度で走査されるビームはコリメートレンズでは等速度の平行ビームに変換することができない。このようなコリメートレンズ特性のために、上記２段階補正を行ったとしても、等速度の平行ビームを得ることができない。したがって、より高精度な測定値を得るためには、上記２段階補正に加え、さらにコリメートレンズ特性の補正を行う必要がある。以下、コリメートレンズ特性の補正について説明する。
【００４３】
コリメートレンズの上記特性に起因して、ポリゴンミラーを使用した従来の光学式測定装置では、Ｙ＝ｆ・θの特性を有する特殊なｆθレンズを使用することにより、等角速度で走査されるビームを等速度の平行ビームに変換している。しかし、ｆθレンズを使用する従来の方法では、装置コストが高くなるばかりか装置スペースが増大するという問題があった。これに対して本実施の形態では、このような特殊なｆθレンズを使用することなく、電気的にコリメートレンズ特性を補正することが可能である。
【００４４】
表１はコリメートレンズの補正テーブルである。表１には、角度θ、ｔａｎθ、１度変化する毎のｔａｎθの変化率が示されている。
【００４５】
【表１】
【００４６】
表１から明らかなように、ｔａｎθの変化の比率は一定ではなく、角度が増すごとに増加する傾向にある。これは、コリメートレンズに入射するビームが等速ではないことを示している。そこで、表１に示すような補正係数を与える。この補正係数を乗じることによりｔａｎθの変化の比率は一定となり、ビームが等速となる。この表１では、説明を簡単にするために、補正係数を一次の補正係数としているが、ＫＴＮ結晶の駆動電圧の補正係数とした場合には、２次の補正係数となる。したがって、最終的な補正係数は、偏向素子特性の上記補正係数とコリメートレンズ補正係数とを掛け合わせたものとなる。
【００４７】
本実施の形態によれば、ＫＴＮ結晶を使用した高速走査が可能なレーザ走査型測定装置を提供することができる。
【００４８】
また、ＫＴＮ結晶の光学的特性を電気的に簡単に補正して制御することができるため、高精度な測定が実現できる。
【００４９】
さらに、コリメートレンズ特性の補正も、ＫＴＮ結晶の補正と同時に電気的に簡単に実行することができる。その結果、従来必要であった、ｆθレンズが不要となり、装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ走査型測定装置５０を説明するブロック図である。本実施の形態は、ＫＴＮ結晶２ａ、２ｂを２つ直列に配置して偏向素子２’を構成している点で第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同じ装置または手段については、同一符号で示す。
【００５１】
制御部３３’において、各ＫＴＮ結晶２ａ、２ｂに対して駆動系統がそれぞれ設けられている。ＫＴＮ結晶２ａに対してはＤ/Ａ変換器１９及びドライブ回路２０が設けられ、ＫＴＮ結晶２ｂに対しては、Ｄ/Ａ変換器２４及びドライブ回路２５が設けられている。
【００５２】
発光素子１から出射されたビームは、ＫＴＮ結晶２ａの一方の端部から入射し、他方の端部から出射する。続いて、もうひとつのＫＴＮ結晶２ｂの一方の端部から入射し、他方の端部から出射する。ＫＴＮ結晶２ａはＤ/Ａ変換器１９が生成する電圧パターン信号Ｓ４を使って、ドライブ回路２０によって駆動される。一方、ＫＴＮ結晶２ｂはＤ/Ａ変換器２４が生成する電圧パターン信号Ｓ５を使って、ドライブ回路２５により駆動される。その他の機能は第１の実施の形態と同様なので説明を省略する。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態による、偏向素子２’の補正方法について、図１０を参照して説明する。上記したように、第１のＫＴＮ結晶２ａに入力したビームは印加電圧の２乗に比例して偏向するため、ビームの回転中心がダウンストリーム側に移動する。第２のＫＴＮ結晶２ｂには、第１のＫＴＮ結晶２ａとは極性が逆の電圧を印加する。その結果、第２のＫＴＮ結晶２ｂに入力したビームは、第１のＫＴＮ結晶２ａとは逆方向に偏向し、ビームの回転中心はアップストリーム側に移動する。したがって、第１のＫＴＮ結晶２ａに印加する電圧と、第２のＫＴＮ結晶２ｂに印加する電圧とを適正に制御することにより、両者の作用が相殺されて、偏向の回転中心を一点に固定することが可能となる。こうして、ビームの回転中心を固定する補正を実行することができる。加えて、上記第１の実施の形態で説明した等速度補正及びコリメートレンズ特性補正を実行することにより、高精度な補正を実現することができる。
【００５４】
第２の実施の形態のような構成によれば、第１の実施の形態によって得られる効果に加え、焦点位置補正光学系を使用する必要がないため、装置をより小型化、低コスト化することが可能である。
【００５５】
［その他］
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、ＫＴＮ結晶を例にとって説明したが、ＫＴＮ結晶と同様の作用を有するその他の結晶を偏向素子として使用することも可能である。また、上記第２の実施の形態では、ＫＴＮ結晶を２個直列に配置したが、３個以上のＫＴＮ結晶を直列に接続して使用することも可能である。さらに、使用するＫＴＮ結晶のサイズは適宜選択可能であり、使用する補正電圧パターンは上記実施の形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る第１の実施例の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の光学式測定装置を使って、被測定物を測定する方法を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明に係る光学式測定装置で使用するＫＴＮ結晶の特性を説明したものである。
【図４】ＫＴＮ結晶を使用した場合に、コリメートレンズを通過したビームが平行にならない様子を示したものである。
【図５】焦点位置補正光学系を使用することにより、偏向ビーム位置の移動を補正できることを説明したものである。
【図６】実際のＫＴＮ結晶の特性と、要求される特性とを比較したものである。
【図７】補正前の印加電圧パターンと補正後の印加電圧パターンとを比較したものである。
【図８】補正パターン信号により、偏向素子の特性が改善された様子を示す。
【図９】本発明に係る第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図１０】図９の装置で使用される偏向素子の動作原理を説明したものである。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・発光素子、 ２・・・偏向素子、 ３・・・焦点位置補正光学系、 ４，５，６・・・ミラー、 ７・・・コリメートレンズ、 ９・・・集光レンズ、 １０・・・受光素子、 １１・・・エッジ検出部、 １２・・・ゲート回路、 １３・・・カウンタ、 １４・・・クロックパルス発振器、 １５・・・ＣＰＵ、 １６・・・表示部、 １７・・・設定キー、 １８・・・メモリ、 １９・・・Ｄ/Ａ変換器、 ２０・・・ドライブ回路、 ２２，２３・・・フライングタイム計測板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行ビームを利用する走査型の光学式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式測定装置は、測定対象物が位置する走査領域を隔てて配置された投光部と受光部とを備え、投光部からの平行ビームにより走査領域を繰り返し走査し、走査領域を通過したビームを受光部で受光し、これにより発生した走査信号に所定の処理をして、測定対象物の直径や振れ等を測定するものである。具体的には、投光部からの平行ビームを上から下（または、下から上）へと繰り返し走査することにより、測定領域に配置された被測定物により遮られたビームの遮蔽時間を測定することで、被測定物の寸法を測定する。
【０００３】
光学式測定装置の代表的なものに、光源として半導体レーザ等のレーザ光を使用したレーザ走査型測定装置がある。従来のレーザ走査型測定装置としては、ビームの走査手段として、高速で回転するポリゴンミラーを使用するもの（例えば、特許文献１）、及びガルバノスキャナーを使用するものが存在する。
【特許文献１】特開２００６−３８４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの走査手段は、機械的走査機構のため、ダウンサイジングや走査速度の高速化に限界があり、現状では、性能向上の余地が少ない。
【０００５】
ポリゴンミラー方式の場合、モータを使用してポリゴンミラーを回転させて走査を行っている。８面のミラーを使用したと仮定すると、２０００回／秒を実現するために、モータを１５０００rpmで回転させる必要がある。この回転数は、通常のモータ及び軸受けでは、耐久性の限界に相当する。
【０００６】
一方、ガルバノスキャナー方式の場合、ガルバノスキャンモータにより、１枚のミラーの反射角度を変化させることにより走査を行っている。この方式でも、走査速度は実用的に、２０００回／秒が限界である。
【０００７】
従来、機械的走査機構を使用しない光学式測定装置として、受光部にインラインセンサを利用したものがある。この方式では、ビームを走査する必要がない。この場合、装置全体の測定範囲、分解能、測定スピードなどのすべての性能は、使用するインラインセンサの性能に依存する。高分解能、高感度、高応答速度を有する素子の供給は限られているので、光学式測定装置の設計自由度が非常に制限される。高性能なインラインセンサの供給が制限されている理由のひとつとして、インラインセンサが主にコピー機等の撮像素子として開発されてきたため、計測器が要求する性能と異なるという経緯がある。したがって、インラインセンサは高性能を要求する測定には実用的ではなく、ポリゴンミラー方式のレーザ走査型測定装置が多用されているのが現状である。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、機械的走査機構を使用しない、高速、高分解能、かつ高耐久性の光学式測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る光学式測定装置は、発光素子から出射され、偏向素子により偏向されたビームを基にした平行ビームで測定対象物が位置する走査領域を繰り返し走査する投光手段と、走査領域を通過したビームを受光して走査信号を出力する受光手段と、走査信号を処理して測定値を得る制御手段と、を備え、偏向素子は、電圧の印加によってビームの偏向角を決定する光学的特性が変化するものであり、制御手段は、偏向素子に電圧を印加して、偏向素子の光学的特性を制御することを特徴とする。
【００１０】
上記偏向素子として、ＫＴＮ結晶（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）を使用することが好ましい。
【００１１】
固体のビーム偏向素子として、ＫＴＮ結晶素子を使用することにより、高い走査速度を達成することができる。また、ＫＴＮ結晶素子の大きさも小型化することができるため、装置全体を小型化及び軽量化することができる。さらに、ＫＴＮ結晶は将来的に量産化により低価格化が予想され、装置コストの削減が期待できる。さらにまた、レーザビームの走査方式が機械的方式から固体素子に代替されることにより信頼性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、機械的走査機構を使用しない、高速、高分解能、かつ高耐久性の光学式測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ走査型測定装置を説明するブロック図である。レーザ走査型測定装置３０は、投光部３１、受光部３２、及び制御部３３を備えて構成されている。投光部３１と受光部３２とは、走査領域Ｒを挟んで対向配置されている。走査領域Ｒは、被測定物Ｗを配置する装置外部の領域である。制御部３３は、図示しないケーブルにより、投光部３１及び受光部３２と接続され、測定に必要な各種制御を実行する。
【００１５】
投光部３１は、半導体レーザのような発光素子１と、素子１から出射されたビームＢ１が入射するＫＴＮ結晶から成る偏向素子２と、偏向素子２によって偏向されたビームが通過する焦点位置補正光学系３と、ビームを反射する複数のミラー４，５，６と、ミラー４，５，６により反射されたビームを平行ビームＢ２にするためのコリメートレンズ７とを含む。焦点位置補正光学系３と、コリメートレンズ７との間に配置されるミラーの数は３つに限定されるものではなく、それ以上でもそれ以下でもよい。
【００１６】
投光部３１を構成するこれらの部品は、キャビネット４２に収容されている。キャビネット４２の一方の側面には、コリメータレンズ７と対向するように、保護ガラス４０が嵌め込まれた窓が設けられている。平行ビームＢ２は、保護ガラス４０を透過して走査領域Ｒを照射する。
【００１７】
受光部３２は、走査領域Ｒを通過した平行ビームＢ２が入射する集光レンズ９と、集光レンズ９で集光されたビームＢ３を受光して走査信号Ｓ１を出力する受光素子１０と、走査信号Ｓ１を増幅するアンプ３８とを備える。受光素子１０は、例えばフォトダイオードである。集光レンズ９、受光素子１０、及びアンプ３８は、キャビネット４３に収容されている。キャビネット４３の一方の側面には、集光レンズ９と対向するように、保護ガラス４１が嵌め込まれた窓が設けられている。走査領域Ｒを通過した平行ビームＢ２は、保護ガラス４１を通過して集光レンズ９に入射する。窓の上下のキャビネットの内側にはフライングタイム計測板２２，２３が設けられている。
【００１８】
ここで、フライングタイム計測板２２、２３について詳細に説明する。フライングタイム計測板２２、２３は、ビームＢ２が走査する際に２枚のフライングタイム計測板２２、２３の間を通過する時間を測定するためのものである。ビームＢ２の走査速度は理論的には電子回路のクロックで決まる。しかし、偏光素子２は、温度に極めて敏感であり、偏向素子２の温度により、印加電圧に対する偏向角特性が変化する。また、レーザ走査型測定装置３０の各種部品のばらつき、アライメント誤差（例えば、偏光素子２とコリメータレンズ７との間の寸法）などの組立上のばらつきによってもビームの照射幅のばらつきや走査速度のばらつきが生じる。そのため、２枚のフライングタイム計測板２２、２３を使用して、実際のビームＢ２の走査速度を測定し、測定値を補正する必要がある。
【００１９】
具体的には、２枚のフライングタイム計測板２２、２３をビームＢ２が通過する時間を測定し、上記したばらつきがないとした場合の通過時間からずれた分の比率に応じて、補正係数を乗算する。こうして、ばらつきを考慮した所定の精度内の測定値を得ることができる。補正方法として他に、基準ゲージを測定して、所望寸法のゲージによる校正をし、その所望寸法近傍で比較測定を行う方法、または複数種類のゲージを使って測定を行い、測定範囲全域を多点で補正する方法などがある。
【００２０】
フライングタイム計測板２２、２３による測定結果を、レーザ走査型測定装置３０の初期組立時の調整に使用することもできる。その結果、組立上の初期ばらつきによる偏向特性のばらつきが解消される。
【００２１】
上記したように偏向素子２は温度に対して極めて敏感であるため、測定時には、偏向素子２の温度を所定の範囲に制御する必要がある。温度制御は、例えば、温度を検出するための白金温度センサ（図示せず）及び発熱体としてのペルチェ素子、薄膜発熱体等（図示せず）を使用して行われる。
【００２２】
次に、制御部３３について説明する。制御部３３は、アンプ３８で増幅された走査信号Ｓ１を整形してエッジ検出信号Ｓ２を出力するエッジ検出部１１を備える。エッジ検出部１１は、特定のしきい値を基準にして走査信号Ｓ１を整形してエッジを検出する。
【００２３】
制御部３３は、エッジ検出信号Ｓ２からエッジ間がアクティブになるゲート信号を生成すると共に、このゲート信号でクロックパルスをゲートした信号Ｓ３を出力する。制御部３３は、さらに、上記クロックパルスを発生させるクロックパルス発振器１４、及び信号Ｓ３のパルス数を計数するカウンタ１３を備える。
【００２４】
また制御部３３は、測定に必要な各種制御を行うＣＰＵ１５と、測定に必要な各種データ等を記憶するメモリ１８と、測定値等を表示する表示部１６と、測定に必要な各種設定を入力するための設定キー１７と、外部装置との間でデータの入出力を行う外部インターフェイス部２１とを備える。
【００２５】
さらに制御部３３は、メモリ１８に記憶されたデジタル化補正データをアナログ信号に変換するためのＤ/Ａ変換器１９と、Ｄ/Ａ変換器１９からの出力信号を受信して偏向素子２を駆動するためのドライブ回路２０とを備える。
【００２６】
ＣＰＵ１５、メモリ１８、ゲート信号発生回路１２、カウンタ１３、Ｄ/Ａ変換器１９、表示部１６、設定キー１７、及び外部インターフェイス部２１は、メインバス３４により互いに接続されている。
【００２７】
次に、レーザ走査型測定装置を用いて測定値（例えば、被測定物Ｗの直径）を得る動作について、図１及び図２を用いて説明する。図２は、この測定動作を説明するためのタイミングチャートである。まず、クロックパルスＣＬＫと同調して、発光素子１からビームＢ１を出射させる。ビームＢ１は、偏向素子２で偏向された後、ミラー４，５，６で反射されて、コリメートレンズ７により平行ビームＢ２にされる。平行ビームＢ２により、測定対象物Ｗが配置される走査領域Ｒが繰り返し走査される。
【００２８】
走査領域Ｒを通過したビームは、集光レンズ９で集光されて、受光素子１０で受光される。これにより、受光素子１０から走査信号Ｓ１が出力される。受光素子１０の受光面は被測定物Ｗにより遮られるため、走査信号Ｓ１はこれに対応した波形となる。ｓは、一回分の走査で出力される走査信号を示している。電圧の低い箇所Ｌは被測定物Ｗの直径と対応している。
【００２９】
走査信号Ｓ１はアンプ３８で増幅され、エッジ検出部１１に入力する。測定には、所定のしきい値（例えば、しきい値５０％）で生成された二値化信号が用いられる。
【００３０】
走査信号Ｓ１が整形回路１１に入力されると、しきい値５０％で整形されたエッジ検出信号Ｓ２が出力される。この信号Ｓ２を基にして、ゲート回路１２からクロックパルスＣＬＫをゲートした信号Ｓ３が出力される。これにより、ゲート信号が「Ｌ」の期間のクロックパルスＣＬＫの個数がカウンタ１３で計測される。換言すれば、受光素子１０が被測定物Ｗで遮られてビームＢ３を受光できない期間のクロックパルスＣＬＫが計測される。この個数を用いて測定値（ここでは、被測定物Ｗの直径）がＣＰＵ１５で演算される。走査領域Ｒは繰り返し走査されるので、何回分かのデータを平均した値が測定値として表示部１６に表示される。
【００３１】
設定キー１７において、信号処理の手順、走査線の歪みを補正するための補正値等を入力する。設定キー１７からの補正値を含むデジタル信号は、メインバス３４を介してＤ/Ａ回路１９に入力する。そこで信号はアナログ信号に変換されて、以下で詳細に説明する偏向素子２及びコリメートレンズ７の光学的特性を補正する電圧パターン信号Ｓ４が生成される。この電圧パターン信号Ｓ４がドライブ回路２０に入力し、ドライブ回路２０は偏向素子２を駆動する。この動作の詳細については以下で説明する。
【００３２】
本実施の形態の特徴は、偏向素子２として、ＫＴＮ結晶を使用した点にある。ここで、ＫＴＮ結晶について、説明する。ＫＴＮ結晶（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）は、カリウム（Ｋ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）及び酸素（Ｏ）から成る透明な光学結晶である。その特徴は、光偏向効率が高く大きなスキャン角度を得ることができる点、超小型化（６ｍｍ角）できる点、動作速度が超高速（例えば、１００００回／秒）でありマイクロ秒応答が可能である点などである。
【００３３】
次に、ＫＴＮ結晶の動作原理について説明する。ＫＴＮ結晶に電圧を印加すると電子の注入が生じ、傾斜電場が生成される。それにより、光の屈折率の分布が発生する。この屈折率のグラデーション効果は、ＫＴＮ結晶の誘電率が非常に高いという特性のために顕著に現れる。結果として、高速かつ広角なビームスキャンが可能になる。ＫＴＮ結晶の特性についてはさらに以下で詳細に説明する。
【００３４】
図１に戻って説明を続ける。発光素子１から出射したビームＢ１は、ＫＴＮ結晶から成る偏向素子２の入力端に入射する。ビームＢ１は、ＫＴＮ結晶に印加された電圧により偏向されて、偏向素子２の出力端から出射する。偏向素子２からの出射ビームはＫＴＮ結晶の特性により歪むため、焦点位置補正光学系３によりその影響が除去される。こうして補正されたビームは、変位を拡大するために、３枚のミラー４，５，６で反射されてコリメートレンズ７に導かれる。コリメートレンズ７において、ビームは平行ビームに変換される。
【００３５】
次に、ＫＴＮ結晶の特性について図３を参照しながら、さらに詳細に説明する。上記したように、ＫＴＮ結晶に電圧を印加すると、屈折率のグラデーションにより、ビームが偏向する。図３のビームＬ１、Ｌ２、Ｌ３を比較すると、徐々にビームの曲がり具合が大きくなることがわかる。図上の角度θはビームが偏向しない場合の基準線に対する偏向したビームの角度を示す。角度θが大きくなるに従い、ビームの回転中心が図の矢印Ａの方向へずれる様子が描かれている。走査されたビームの回転中心が移動するとコリメートレンズ７で平行ビームに変換することができない。その理由を以下で図４を参照しながら説明する。
【００３６】
図４は、偏向素子により偏向されたビームがコリメートレンズをどのように通過するかを示したものである。ビームIが平行ビームになるように、コリメートレンズを調整したとすると、ビームII、ビームIII、ビームIVと偏向角度が徐々に大きくなるに従い、偏向素子の特性により、ビームの回転中心が矢印Ａ方向へ移動するため、コリメートレンズを通過したビームが互いに平行にならず、徐々に角度を有するようになる。
【００３７】
したがって、コリメートレンズを通過したビームが平行ビームを形成するようにするためには、補正を行う必要がある。図５は、本実施の形態に従う、補正方法を示したものである。偏向素子２から出射されたビームは、焦点位置補正光学系３により、偏向角度に応じて補正された後、コリメートレンズ７に入射する。焦点位置補正光学系３は、偏向素子２により偏向されるビームの回転中心を、見かけ上、一点に固定するように補正することができる。結果として、コリメートレンズ７を通過したビームI’II’III’IV’は互いに平行になる。
【００３８】
図３に戻って、説明を続ける。上記したように、ＫＴＮ結晶に印加する電圧によってビームの進行方向が徐々に偏向する。その曲がり方は、従来のポリゴンミラーやガルバノミラーのように、ある一点を中心として曲がるのではなく、図３に示すように、結晶内部の電界の作用で徐々に曲がる点に特徴がある。ビームの曲がる角度は、印加電圧の２乗に比例する。結果として、図のような極性で電圧を印加した場合、ビームの回転中心がダウンストリーム側（すなわち、矢印Ａ方向）に移動する現象と、ビームが曲がる角速度が変化する現象とが同時に起こる。したがって、より高精度な測定を行うためには、補正は、２段階で実行する必要がある。すなわち、第１段階補正として、図５で説明したように、結晶から出射されるビームの回転中心が見かけ上一点となるような補正を実行する。第２段階補正として、回転中心を基準にして偏向するビームの角速度を同じにして、等速の平行ビームを得るような補正を実行する。
【００３９】
焦点位置補正レンズ３は、上記第１段階補正を実行する機能を有する非球面レンズである。しかし、上記したように、焦点位置補正レンズ３によりビームの回転中心の位置補正がなされたのみでは、平行ビームは互いに等速ではない。そこで、第２段階補正として、偏向素子２に印加する電圧パターンを制御し、ビームの偏向速度を等速にする補正を実行する。具体的には、メモリ１８に記憶された印加電圧の補正データがメインバス３４を介してＤ/Ａ変換器１９に入力する。Ｄ/Ａ変換器１９は補正された電圧パターンを生成する。これがドライブ回路２０に与えられて、偏向素子２を駆動することにより、偏向速度の補正が達成される。
【００４０】
偏向速度補正の原理について、図６から図８を参照してさらに詳細に説明する。図６は偏向素子２の特性を示したグラフである。縦軸は比偏向角（θｒ）、横軸は比電圧（Ｖｒ）をそれぞれ表している。ここで、偏向素子特性は正規化してあるため、各軸は比率で示している。曲線(a)は、ＫＴＮ結晶の実際の特性を示し、直線(b)は、要求される素子特性を示している。要求される素子特性は線形であるのに対して、実際のＫＴＮ結晶は非線形（２乗）特性を有している。例えば、０．４θｒの比偏向角を得るために、０．４Ｖｒの比電圧では足りず、０．６３２Ｖｒの比電圧を与える必要がある。そこで、例えば図７に示すような補正した電圧パターンＢを与えることにより、図８に示すように、比偏向角と比電圧との間で線形関係を得ることが可能になる。図７において、波形Ａは偏向素子に印加される補正前の電圧パターンの一例である。これに対して、波形Ｂは補正後の電圧パターンの一例を示している。
【００４１】
電圧補正パターンに対応する数値データは、設定キー１７から直接入力してもよいが、偏向素子２のダウンストリーム側にセンサを配置することにより、そのセンサから偏向速度情報を含む信号を捕獲し、それを二値化してＣＰＵ１５にフィードバックし、さらに修正した補正信号を生成してＤ/Ａ変換器１９に戻す方法も可能である。この方法によれば、印加電圧の変動や、ＫＴＮ結晶の製品ばらつきによるエラーを自己調整することが可能である。
【００４２】
さらに、本実施の形態によれば、コリメートレンズ特性の補正をすることもできる。一般に、等角速度で走査されるビームはコリメートレンズでは等速度の平行ビームに変換することができない。このようなコリメートレンズ特性のために、上記２段階補正を行ったとしても、等速度の平行ビームを得ることができない。したがって、より高精度な測定値を得るためには、上記２段階補正に加え、さらにコリメートレンズ特性の補正を行う必要がある。以下、コリメートレンズ特性の補正について説明する。
【００４３】
コリメートレンズの上記特性に起因して、ポリゴンミラーを使用した従来の光学式測定装置では、Ｙ＝ｆ・θの特性を有する特殊なｆθレンズを使用することにより、等角速度で走査されるビームを等速度の平行ビームに変換している。しかし、ｆθレンズを使用する従来の方法では、装置コストが高くなるばかりか装置スペースが増大するという問題があった。これに対して本実施の形態では、このような特殊なｆθレンズを使用することなく、電気的にコリメートレンズ特性を補正することが可能である。
【００４４】
表１はコリメートレンズの補正テーブルである。表１には、角度θ、ｔａｎθ、１度変化する毎のｔａｎθの変化率が示されている。
【００４５】
【表１】
【００４６】
表１から明らかなように、ｔａｎθの変化の比率は一定ではなく、角度が増すごとに増加する傾向にある。これは、コリメートレンズに入射するビームが等速ではないことを示している。そこで、表１に示すような補正係数を与える。この補正係数を乗じることによりｔａｎθの変化の比率は一定となり、ビームが等速となる。この表１では、説明を簡単にするために、補正係数を一次の補正係数としているが、ＫＴＮ結晶の駆動電圧の補正係数とした場合には、２次の補正係数となる。したがって、最終的な補正係数は、偏向素子特性の上記補正係数とコリメートレンズ補正係数とを掛け合わせたものとなる。
【００４７】
本実施の形態によれば、ＫＴＮ結晶を使用した高速走査が可能なレーザ走査型測定装置を提供することができる。
【００４８】
また、ＫＴＮ結晶の光学的特性を電気的に簡単に補正して制御することができるため、高精度な測定が実現できる。
【００４９】
さらに、コリメートレンズ特性の補正も、ＫＴＮ結晶の補正と同時に電気的に簡単に実行することができる。その結果、従来必要であった、ｆθレンズが不要となり、装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ走査型測定装置５０を説明するブロック図である。本実施の形態は、ＫＴＮ結晶２ａ、２ｂを２つ直列に配置して偏向素子２’を構成している点で第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同じ装置または手段については、同一符号で示す。
【００５１】
制御部３３’において、各ＫＴＮ結晶２ａ、２ｂに対して駆動系統がそれぞれ設けられている。ＫＴＮ結晶２ａに対してはＤ/Ａ変換器１９及びドライブ回路２０が設けられ、ＫＴＮ結晶２ｂに対しては、Ｄ/Ａ変換器２４及びドライブ回路２５が設けられている。
【００５２】
発光素子１から出射されたビームは、ＫＴＮ結晶２ａの一方の端部から入射し、他方の端部から出射する。続いて、もうひとつのＫＴＮ結晶２ｂの一方の端部から入射し、他方の端部から出射する。ＫＴＮ結晶２ａはＤ/Ａ変換器１９が生成する電圧パターン信号Ｓ４を使って、ドライブ回路２０によって駆動される。一方、ＫＴＮ結晶２ｂはＤ/Ａ変換器２４が生成する電圧パターン信号Ｓ５を使って、ドライブ回路２５により駆動される。その他の機能は第１の実施の形態と同様なので説明を省略する。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態による、偏向素子２’の補正方法について、図１０を参照して説明する。上記したように、第１のＫＴＮ結晶２ａに入力したビームは印加電圧の２乗に比例して偏向するため、ビームの回転中心がダウンストリーム側に移動する。第２のＫＴＮ結晶２ｂには、第１のＫＴＮ結晶２ａとは極性が逆の電圧を印加する。その結果、第２のＫＴＮ結晶２ｂに入力したビームは、第１のＫＴＮ結晶２ａとは逆方向に偏向し、ビームの回転中心はアップストリーム側に移動する。したがって、第１のＫＴＮ結晶２ａに印加する電圧と、第２のＫＴＮ結晶２ｂに印加する電圧とを適正に制御することにより、両者の作用が相殺されて、偏向の回転中心を一点に固定することが可能となる。こうして、ビームの回転中心を固定する補正を実行することができる。加えて、上記第１の実施の形態で説明した等速度補正及びコリメートレンズ特性補正を実行することにより、高精度な補正を実現することができる。
【００５４】
第２の実施の形態のような構成によれば、第１の実施の形態によって得られる効果に加え、焦点位置補正光学系を使用する必要がないため、装置をより小型化、低コスト化することが可能である。
【００５５】
［その他］
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、ＫＴＮ結晶を例にとって説明したが、ＫＴＮ結晶と同様の作用を有するその他の結晶を偏向素子として使用することも可能である。また、上記第２の実施の形態では、ＫＴＮ結晶を２個直列に配置したが、３個以上のＫＴＮ結晶を直列に接続して使用することも可能である。さらに、使用するＫＴＮ結晶のサイズは適宜選択可能であり、使用する補正電圧パターンは上記実施の形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る第１の実施例の形態を示すブロック図である。
【図２】図１の光学式測定装置を使って、被測定物を測定する方法を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明に係る光学式測定装置で使用するＫＴＮ結晶の特性を説明したものである。
【図４】ＫＴＮ結晶を使用した場合に、コリメートレンズを通過したビームが平行にならない様子を示したものである。
【図５】焦点位置補正光学系を使用することにより、偏向ビーム位置の移動を補正できることを説明したものである。
【図６】実際のＫＴＮ結晶の特性と、要求される特性とを比較したものである。
【図７】補正前の印加電圧パターンと補正後の印加電圧パターンとを比較したものである。
【図８】補正パターン信号により、偏向素子の特性が改善された様子を示す。
【図９】本発明に係る第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図１０】図９の装置で使用される偏向素子の動作原理を説明したものである。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・発光素子、 ２・・・偏向素子、 ３・・・焦点位置補正光学系、 ４，５，６・・・ミラー、 ７・・・コリメートレンズ、 ９・・・集光レンズ、 １０・・・受光素子、 １１・・・エッジ検出部、 １２・・・ゲート回路、 １３・・・カウンタ、 １４・・・クロックパルス発振器、 １５・・・ＣＰＵ、 １６・・・表示部、 １７・・・設定キー、 １８・・・メモリ、 １９・・・Ｄ/Ａ変換器、 ２０・・・ドライブ回路、 ２２，２３・・・フライングタイム計測板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子から出射され、偏向素子により偏向されたビームを基にした平行ビームで測定対象物が位置する走査領域を繰り返し走査する投光手段と、
前記走査領域を通過したビームを受光して走査信号を出力する受光手段と、
前記走査信号を処理して測定値を得る制御手段と、を備え、
前記偏向素子は、電圧の印加によって前記ビームの偏向角を決定する光学的特性が変化するものであり、
前記制御手段は、前記偏向素子に電圧を印加して、前記偏向素子の光学的特性を制御する、
ことを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記偏向素子は、ＫＴＮ結晶（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）から成ることを特徴とする請求項１に記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記投光手段は、前記偏向素子により偏向されたビームの焦点位置を補正する光学系と、この光学系で焦点位置補正がされたビームを平行光に変換するコリメータレンズとを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ビームの走査速度を一定にする特定の非線形パターンに従って、前記偏向素子への印加電圧を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式測定装置。
【請求項５】
前記偏向素子は、ビームの進行方向に沿って直列に配置された、少なくとも２つのＫＴＮ結晶から成ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式測定装置。
【請求項１】
発光素子から出射され、偏向素子により偏向されたビームを基にした平行ビームで測定対象物が位置する走査領域を繰り返し走査する投光手段と、
前記走査領域を通過したビームを受光して走査信号を出力する受光手段と、
前記走査信号を処理して測定値を得る制御手段と、を備え、
前記偏向素子は、電圧の印加によって前記ビームの偏向角を決定する光学的特性が変化するものであり、
前記制御手段は、前記偏向素子に電圧を印加して、前記偏向素子の光学的特性を制御する、
ことを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記偏向素子は、ＫＴＮ結晶（ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３）から成ることを特徴とする請求項１に記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記投光手段は、前記偏向素子により偏向されたビームの焦点位置を補正する光学系と、この光学系で焦点位置補正がされたビームを平行光に変換するコリメータレンズとを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ビームの走査速度を一定にする特定の非線形パターンに従って、前記偏向素子への印加電圧を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式測定装置。
【請求項５】
前記偏向素子は、ビームの進行方向に沿って直列に配置された、少なくとも２つのＫＴＮ結晶から成ることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−２９２２１０（Ｐ２００８−２９２２１０Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３５９３６（Ｐ２００７−１３５９３６）
【出願日】平成１９年５月２２日（２００７．５．２２）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２２日（２００７．５．２２）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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