JP7257105B2 - 絶対距離測定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械工業、電気工業などの精密機器・精密加工部材の生産分野における距離測定装置及び距離測定方法に係り、特に、所要の対象物までの絶対距離をレーザ光により測定する絶対距離測定装置及びその方法に関する。

従来、被測定物へ非接触で測長・測距をする方法としては、光学的手段が適している。光を用いた絶対距離計の原理は、大きく分けて光の強度に変調をかけ基準光との干渉により位相差を検出する強度変調方式、光をパルス状に被測定物へ投射し、その往復時間に基づいて距離を測定する方法である飛行時間法（Time of flight: TOF）が知られている。

強度変調方式は、光の強度が外乱に弱いことや比較的大掛かりな装置が必要となること、被測定物までの絶対距離を測定するために多くの時間を要すること等の理由により、実際の機械工業・電気工場の現場での適用は限られている。

飛行時間法は、原理が単純であるため比較的簡便に距離測定が可能であるが、光の伝播速度が速いため光検出器・回路の周波数応答性の制限を受ける。そのため、高い測定精度が求められる精密機器や精密加工部材の形状や位置測定には不十分であるため、現場での適用は限定的である。

また、反射鏡と部分反射鏡を用いて重畳された周波数の異なる連続発振（ＣＷ）レーザ光を対象物へ投射し、反射または散乱したレーザ光のビート信号の位相差によって対象物までの距離を測定することが知られ、特許文献１に記載されている。

さらに、測定レンジを大きくし、かつ分解能を向上させるため、光源と対象物で反射または散乱された複数の連続発振（ＣＷ）レーザ光によるビート信号を電気的に混合して、光源と対象物で反射または散乱された複数の連続発振（ＣＷ）によるビート信号を生成する。そして、光源と対象物で反射または散乱された複数の連続発振（ＣＷ）間のビート信号の位相と、光源と対象物へ照射する前の複数の連続発振（ＣＷ）ビート信号の位相を比較することによって対象物までの距離を測定する、ことが特許文献２に記載されている。

特開昭６１－１３８１９１号公報 特開２０１１－２０３１８８号公報

上記従来技術である特許文献１に記載のものでは、ビート信号を検出する際に、光量が不足し、必要な信号雑音比が得られず、位相差を抽出することが困難である。また、被測定物の反射率が低い表面、表面が散乱面である場合には、遠方まで高精度に測定するには大規模な高価なシステムとならざるを得ない。

特許文献２に記載のものも同様であり、複数の連続発振（ＣＷ）レーザ光を必要とする。そのため、連続発振（ＣＷ）レーザ光として、可干渉である多数の周波数成分の光が櫛の歯のように等間隔に並んでいるレーザ光コムを必要とする。光コム発生器は、それ自体が高価であると共に、絶対距離を測定するには大規模なシステムとなる。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、より簡単で安価な構成で対象物までの絶対距離を正確に測定できる光を用いた絶対距離測定装置及びその方法を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、光を被測定物へ投射し反射して戻ってくる、その往復時間に基づいて距離を測定する絶対距離測定装置において、基準となるクロック信号を生成するクロック生成部と、前記クロック信号に基づいて周期的な測定パルスを生成する測定パルス生成部と、前記測定パルスとは異なる周期の検出パルスを生成する検出パルス生成部と、前記測定パルスに従った測定光を前記被測定物へ投射する光パルス送信部と、前記被測定物の表面で反射した前記測定光を検出して受信信号として出力する受光部と、前記検出パルスと前記受信信号とを論理演算して合成する論理積回路と、前記論理積回路で合成された信号により、前記測定光が前記光パルス送信部から前記被測定物へ投射されてから前記被測定物の表面で反射して前記受光部で検出されるまでの伝播時間を求め、前記被測定物までの絶対距離を演算する信号処理部と、を備えたものである。

周期的な測定パルスと、測定パルスとは異なる周期の検出パルスと、を生成し、測定パルスに従った測定光を被測定物へ投射して反射した受信信号を検出する。また、検出パルスと受信信号とを論理演算して測定光の伝播時間を求め、被測定物までの絶対距離を演算する。

したがって、測定パルスと検出パルスの論理積の周期は両者の周波数差に等しい周期となり、正弦波のうなり現象と等価となる。これにより、伝播時間のような僅かな遅延であっても、うなり波形の位相は大きく変化するので、光を用いて、より簡単で安価な構成で対象物までの絶対距離を高い測定精度に測定できる。

また、上記のものにおいて、前記検出パルス生成部は、前記クロック信号に基づいて前記検出パルスを生成することが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記光パルス送信部は、半導体の再結合発光を利用したレーザーダイオードにより測定光を前記被測定物へ投射することが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記測定パルスの周期と前記検出パルスの周期との差は、前記測定パルスの周期に対して０．３～３％とすることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記測定パルスの周期Ｔ_２＝１００としたとき、前記検出パルスの周期Ｔ_１を９９とする比率であることが望ましい。

さらに、本発明は、被測定物の両面に配置された絶対距離測定装置を備え、予め測定された前記絶対距離測定装置間の距離から前記被測定物の厚さを演算するものである。

さらに、本発明の絶対距離測定方法は、光を被測定物へ投射し反射して戻ってくる、その往復時間に基づいて距離を測定する絶対距離測定方法であって、基準となるクロック信号に基づいて周期的な測定パルスと、前記測定パルスとは異なる周期の検出パルスと、を生成し、前記測定パルスに従って測定光を前記被測定物へ投射して前記被測定物の表面で反射した前記測定光を受信信号として検出し、前記検出パルスと前記受信信号とを論理演算して前記測定光の伝播時間を求め、前記被測定物までの絶対距離を演算することを特徴とする。

また、上記において、前記検出パルスは、前記クロック信号に基づいて生成されることが望ましい。

本発明によれば、周期的な測定パルスと、測定パルスとは異なる周期の検出パルスと、を生成し、測定パルスに従った測定光を被測定物へ投射して反射した受信信号を検出する。また、検出パルスと受信信号とを論理演算して測定光の伝播時間を求め、被測定物までの絶対距離を演算する。

したがって、測定パルスと検出パルスの論理積の周期は両者の周波数差に等しい周期となり、正弦波のうなり現象と等価となる。これにより、伝播時間のような僅かな遅延であっても、うなり波形の位相は大きく変化するので、光を用いて、より簡単で安価な構成で対象物までの絶対距離を高い測定精度に測定できる。

本発明の一実施形態に係る絶対距離測定装置のブロック図 一実施形態における測定パルスの時間対振幅を示すグラフ 一実施形態における検出パルスの時間対振幅を示すグラフ 一実施形態における測定パルスと検出パルスの論理積信号の時間対振幅を示すグラフ 一実施形態における受信信号と検出パルスの時間対振幅を示すグラフ 図１の絶対距離測定装置を厚さ測定器へ応用した例を示す全体図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

非接触で二点間の距離を測る計測機器としては、超音波式、光学式があり、用途によって使い分けられている。超音波式は、対象に向けて超音波を照射し反射して返って来るまでの時間を測るもので光学式に比べてより簡単で安価な構成となる。そして、超音波式は、耐環境性能が高く、対象物の材質を問わないが、測定距離は数メートル程度であり、ターゲット（対象物の大きさ）は大きい（数１０ｍｍ）ことが必要、という欠点がある。

これに対して、光学式は、耐環境性能は低いが、測定距離は１０ｍ～数１００ｍ程度、ターゲットが数ｍｍと小さい、測定個所が視認可能という特徴がある。また、より精度の高い絶対距離を測定するには、高価な光コム発生器が必要とされ、大規模なシステムとなる。そこで、光をパルス状に発信し、その往復時間に基づいて距離を測定することで、安価な絶対距離計を実現する。

図１は、本発明の一実施形態に係る絶対距離測定装置のブロック図、図２は測定パルスの時間対振幅を示すグラフ、図３は検出パルスの時間対振幅を示すグラフである。１は、クロック生成部であり、測定のための信号を生成する際に基準となるクロック信号を生成する。２は、クロック生成部１によるクロック信号に基づいて、図２に示す周期的な測定パルスを生成する測定パルス生成部である。

３は、検出パルスを生成する検出パルス生成部である。検出パルス生成部３は、測定パルス生成部２と同様にクロック生成部１からのクロック信号に基づいて測定パルスとは僅かに異なる周期の検出パルスを図３のように生成する。同じクロック信号に基づいて測定パルスと検出パルスとを生成するので、周期差が僅かであっても正確な信号を生成することができ、測定精度を向上できる。ここで、検出パルス生成部は、クロック信号に基づくことなく、独自に検出パルスを生成してもよいが、上述したように、クロック信号に基づいて生成した方が正確な信号を生成することができるので望ましい。

なお、図２に示す測定パルスの周期は１００μｓであり、１００μｓ毎にＯＮとなる電気信号である。図３に示す検出パルスの周期は９９μｓであり、９９μｓ毎にＯＮとなる
電気信号である。したがって、図３で分かるように時間の経過と共に測定パルスと検出パルスの発生タイミングがずれている。ただし、この例は説明を簡単とするために、測定パルスの周期を１００μｓ、検出パルスの周期を９９μｓとしたもので、例えばクロック信号の周期を１μｓとしてそれぞれ生成したとしている。

クロック信号の周期を０.８μｓとすれば測定パルスの周期を８０μｓ、検出パルスの周期を７９.２μｓと言うように相対的に定めれば良い。また、本例では測定パルスの周期は１００μｓに対して検出パルスの周期を９９μｓとしているが、この比率は任意に設定すれば良い。以下、周期に単位を付けないで説明する。

４は光パルス送信部であり、図２で示したデジタル信号である測定パルスに従い、測定光がパルスレーザとして被測定物５へ投射される。デジタル信号に基づいて測定光を発生させるので、光パルス送信部４は、連続波レーザ光を位相変調したり、同期レーザを使う光コムを使用したりする必要がない。

なお、パルスレーザとは、細かい時間間隔で点滅をくり返すレーザのことであり、パルスレーザの１回のレーザ照射時間がパルス幅である。ＬＤ（レーザーダイオード）等の励起源をパルス的に点灯し、励起源点灯時間幅と励起源への電流値を電気的に制御することにより、レーザ出力が制御される。また、連続発振（ＣＷ）レーザ光は、励起源を連続的に点灯させることを意味している。

パルスレーザによる測定光は被測定物５の表面で反射し、受光部６で検出される。受光部６で得られる受信信号７は測定パルスが伝播時間（往復時間）Δｔだけ遅れた信号として検出される。伝播時間は、光パルス送信部４から測定光が発せられた時刻と被測定物５で反射した測定光を受光部６で検出した時刻の差である。

一方、クロック生成部１から測定パルスとは僅かに異なる周期で生成された検出パルスと、被測定物５の表面で反射して得られたΔｔだけ遅れた受信信号と、論理積回路８にて論理演算（ＡＮＤ演算）されて合成される。合成された信号は信号処理部９へ入り、伝播時間Δｔを高精度に求め、光パルス送信部４から被測定物５までの絶対距離を演算する。

測定パルスと検出パルスは僅かに周波数が異なる。検出パルスを周波数ｆ_１、測定パルスを周波数ｆ_２の正弦波として置き換えると、測定パルスと検出パルスとの論理積の周期は、周波数ｆ_１と周波数ｆ_２との正弦波におけるうなり波形（エンベロープ）の周期となる。したがって、うなり波形における初期位相の位相一致点は、検出パルスの周期と測定パルスの周期の公倍数時刻において両パルスは一致することに相当する。

測定パルスがΔｔだけ遅れた信号である受信信号は、うなり波形の初期位相を大きく変化させる。僅かな伝播時間の遅延であっても、うなり波形の位相は大きく変化し、受信信号と検出パルスの論理積として論理積回路８にて出力され、信号処理部９へ入力される。信号処理部９にて受信信号と検出パルスの論理積による信号のタイミングを解祈することで、より高精度に伝播時間を求めることで、対象物までの絶対距離を測定することが可能となる。初期位相の変化は、次に示すように、測定パルスと検出パルスの周波数差に対する測定パルスの周波数の比だけ拡大される。

うなり波形の詳細と位相の変化について説明する。検出パルスをＦ_１、測定パルスをＦ_２の正弦波として置き換えて、うなり波形の詳細と位相の変化について説明する。検出パルスを周波数ｆ_１、測定パルスを周波数ｆ_２とし、それぞれの角周波数ω_１、ω_２、それぞれの初期位相をφ_１、φ_２とすると、ω _１ ＝２πｆ _１ 、ω _２ ＝２πｆ _２ であるから、Ｆ _１ ＝ｓｉｎ（ω _１ ｔ＋φ _１ ）、Ｆ _２ ＝ｓｉｎ（ω _２ ｔ＋φ _２ ）となる。Ｆ_１、Ｆ_２の重ね合わせで発生するうなり波形Ｆは、

として表現できる。このときｃｏｓの項はうなり波形のエンベロープを示し、ｓｉｎの項はエンベロープ内部の波形を示している。

ここでＦ_２の伝播時間が僅かに遅れ、遅れ時間をΔtとする。ただし、この遅れ時間ΔtはＦ_２の周期（１／ｆ_２）以内とすれば、Ｆ_２は時間ｔを用いて式２のように表すことができる。

そして、生成されるうなり波形Ｆは式３となる。

式３において、ｃｏｓの項はうなり波形のエンベロープを示し、ｓｉｎの項はエンベロープ内部の波形を示している。したがって、Ｆ_２の遅れがうなり波形Ｆのエンベロープの位相に影響を与えていることが分かる。

周波数ｆ_１、ｆ_２の影響度を明確にするため、式３を変形すると、式４となる。

式４においても、ｃｏｓの項はうなり波形のエンベロープを示しているので、Ｆ_２の伝播時間がΔt遅れると、うなり波形Ｆのエンベロープは、ω _２ ／（ω _１ －ω _２ ）Δtだけ位相がずれた形状となる。また、ω _２ ／（ω _１ －ω _２ ）Δt＝ｆ _２ ／（ｆ _１ －ｆ _２ ）Δtであり、ｆ_２＝１／Ｔ_２、ｆ_１＝１／Ｔ_１であるから、ω _２ ／（ω _１ －ω _２ ）Δt＝Ｔ_１／（Ｔ_２－Ｔ_１）Δtとなる。

仮に、Ｔ_１＝９９、Ｔ_２＝１００とした場合、うなり波形の位相の変化は、Ｔ _１ ／（Ｔ _２ －Ｔ _１ ）Δt＝９９Δtとなり、測定パルスＦ_２の伝播時間がΔt遅れると９９倍に拡大されて検出ができることが分かる。

図４は測定パルスと検出パルスの論理積信号の時間対振幅を示すグラフ、図５は受信信号と検出パルスの論理積信号の時間対振幅を示すグラフである。上記では、検出パルスをＦ_１、測定パルスをＦ_２の正弦波として置き換えて説明したが、図２から図５に基づいてデジタル信号として説明する。図２では、測定パルスの周期Ｔ_２は１００とし、図３の検出パルスの周期Ｔ_１は９９として表している。

図４は、測定パルスと検出パルスの論理積信号であり、その周期は、正弦波として置き換えた場合のうなり波形（エンベロープ）の周期となり、その位相一致点は、検出パルスの周期と測定パルスの周期の公倍数時刻において両パルスは一致することに相当する。したがって、図４に示すように測定パルスと検出パルスの論理積信号の周期は９９００である。

図５は、周期Ｔ_２＝１００の測定パルスがΔｔ＝１（周期Ｔ_２の１％）だけ遅れた信号である受信信号と、周期Ｔ_１＝９９の検出パルスと、の論理積信号を示す。上記した式４の説明、うなり波形の位相の変化は、［Ｔ_１／（Ｔ_２－Ｔ_１）］Δt＝９９Δtとなることより、図５を図４と比較すると時刻９９００の信号が９９だけずれて時刻９８０１に移動することになる。

つまり、遅れた時間Δｔ＝１に対して９９倍に拡大される。この９９倍という比率は周期Ｔ_２＝１００の測定パルスと周期Ｔ_１＝９９の検出パルスとの差の比率に等しい。測定パルス、検出パルスの周期は任意に変更できるため拡大比率は任意に設定ができる。しかし、測定パルスの周期Ｔ_２と検出パルスの周期Ｔ_１との差であるずれ量は、周期Ｔ_２に対して０．３～３％とすることが論理積信号を正確にする点と検出感度の点から望ましく、特に、測定パルスの周期Ｔ_２＝１００に対して検出パルスの周期Ｔ_１を９９という比率とすることが実用的で良い。

よって、例えば、測定パルス周期Ｔ_２＝１００μs、受信信号の遅れΔt＝１μs、検出パルス周期Ｔ_１＝９９μsのとき、光速を３０００００km／sとすると、信号処理部９は、光速×Δt＝３００mにより被測定物に対する光の往復の距離を求めることができる。よって、光の片道距離、即ち被測定物との距離は半分の１５０mとなる。

この時、信号処理部９は、受信信号の遅れΔtを９９倍に拡大した信号を、受光部によって受光された信号と検出パルスの論理積とから得ることができ、それに基づいて受信信号の遅れΔtを算出することができる。信号処理部９は、このような計算を行う事により測定対象物との距離を算出することができる。

また、干渉を利用しないため、光源の質を問わず安価な構成が可能になる。さらに、デジタル信号にて合成を行っているため光自身の可干渉性を問わず、可干渉であるレーザ光コムを用いる必要がない。したがって、安価に入手可能な半導体の再結合発光を利用したレーザーダイオードなどが利用可能になる。

図６は、上記で説明した絶対距離測定装置を厚さ測定器へ応用した例を示す全体図である。２５は被測定物であり、例えば、直径３００ｍｍで厚さ０．７７５ｍｍ、厚み公差が±０．０２５ｍｍ程度のシリコンウェハーである。被測定物２５は、ステージ２８の上に載置されている。上距離計２０は被測定物２５の上方、下距離計２１は、被測定物２５の下方に設けられ、それぞれ、上アーム２６、下アーム２７を介してステージ２８に固定されている。

被測定物２５の厚さの測定に際して、上距離計２０と下距離計２１との距離は、予め正確に距離計間距離として測定しておく。上距離計２０、下距離計２１は、それぞれ、図１で示したように光パルス送信部４、受光部６等で構成される。被測定物２５の上面には、上距離計２０の光パルス送信部４からの測定光が投射され、被測定物２５の上面で反射して受光部６で検出される。

被測定物２５の下面も同様であり、上距離計２０で上面までの絶対距離、下距離計２１で下面までの絶対距離が測定される。被測定物２５の厚さは、予め測定されている距離計間距離から上距離計２０で測定された上面までの絶対距離と、下距離計２１で測定された下面までの絶対距離と、の和を減じて求める。

上記のように、円盤状の被測定物の両面に絶対距離測定装置を配置し、絶対距離測定装置間の距離を予め測定しておけば、ごく薄い被測定物であっても厚さ測定が正確にできる。そして、このような厚さ測定器であれば、より簡単で安価な構成で耐環境性能が高く、精度の高い、測定個所が視認可能な非接触の厚さ測定が可能となる。

１ クロック生成部
２ 測定パルス生成部
３ 検出パルス生成部
４ 光パルス送信部
５、２５ 被測定物
６ 受光部
７ 受信信号
８ 論理積回路
９ 信号処理部
２０ 上距離計
２１ 下距離計
２６ 上アーム
２７ 下アーム
２８ ステージ

Claims (6)

1. 測定光を被測定物へ投射し反射して戻ってくる、その往復時間に基づいて距離を測定する絶対距離測定装置において、
   基準となるクロック信号を生成するクロック生成部と、
   前記クロック信号に基づいて周期的な測定パルスを生成する測定パルス生成部と、
   前記測定パルスとは異なり、周期の差が前記測定パルスの周期に対して０．３～３％となる周期である検出パルスを生成する検出パルス生成部と、
   前記測定パルスに従った前記測定光を前記被測定物へ投射する光パルス送信部と、
   前記被測定物の表面で反射した前記測定光を検出して受信信号パルスとして出力する受光部と、
   前記検出パルスの周期と前記受信信号パルスの周期との公倍数時刻の周期となる論理積信号を出力する論理積回路と、
   前記測定パルスと前記検出パルスの論理積信号に対する、前記受信信号パルスと前記検出パルスの論理積信号の時刻のずれに基づいて前記測定光が前記光パルス送信部から前記被測定物へ投射されてから前記被測定物の表面で反射して前記受光部で検出されるまでの伝播時間を求め、前記被測定物までの絶対距離を演算する信号処理部と、
   を備えたことを特徴とする絶対距離測定装置。
2. 前記検出パルス生成部は、前記クロック信号に基づいて前記検出パルスを生成することを特徴とする請求項１に記載の絶対距離測定装置。
3. 前記測定パルスの周期Ｔ_２＝１００としたとき、前記検出パルスの周期Ｔ_１を９９とする比率であることを特徴とする請求項１に記載の絶対距離測定装置。
4. 被測定物の両面に配置された請求項１から３のいずれか１項に記載の絶対距離測定装置を備え、予め測定された前記絶対距離測定装置間の距離から前記被測定物の厚さを演算することを特徴とする厚さ測定器。
5. 測定光を被測定物へ投射し反射して戻ってくる、その往復時間に基づいて距離を測定する絶対距離測定方法であって、
   基準となるクロック信号に基づいた周期的な測定パルスと、
   前記測定パルスとは異なり、周期の差が前記測定パルスの周期に対して０．３～３％となる周期である検出パルス、を生成し、
   前記測定パルスに従って前記測定光を前記被測定物へ投射して前記被測定物の表面で反射した前記測定光を受信信号パルスとして検出し、
   前記測定パルスと前記検出パルスとの公倍数時刻の周期となる論理積信号に対する、前記受信信号パルスと前記検出パルスとの公倍数時刻の周期となる論理積信号の時刻のずれに基づいて前記測定光の伝播時間を求め、前記被測定物までの絶対距離を演算することを特徴とする絶対距離測定方法。
6. 前記検出パルスは、前記クロック信号に基づいて生成されることを特徴とする請求項５に記載の絶対距離測定方法。

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