CN1179535A - 三维测量装置和三维测量方法 - Google Patents

Abstract

三维测量装置,其包括在控制扫描操作的同时用光束对物体的凸凹表面进行扫描的光束扫描单元,和在扫描操作的过程中接收由凸凹表面反射的反射光束并由此测量物体凸凹表面高度信息的检测单元,其中防止了在控制光束扫描操作期因产生的噪声而引发的噪声信息作为来自检测单元的高度信息被发送。

Description

三维测量装置和三维测量方法

本发明涉及一种用于测量待测物体表面凸凹高度的三维测量装置，以及三维测量方法。待测物体例如可以是电路板，而且利用三维测量装置和三维测量方法测量电路板上安装的电子元件的高度。

目前已有各种用于测量待测物体表面凸凹高度的三维测量装置。其中在一种三维测量装置中，用激光束对物体进行扫描并用PSD(接收光的位置敏感检测器)或类似物接收得到的反射光，由此测得光点位置(在PSD或类似物上聚焦的光点在PSD或类似物上的位置)并利用三角测量原理确定出高度。

在下文中，将参照附图说明例如在日本公开专利公报5-312536中公开的三维测量装置。

图7是表示现有三维测量装置30结构的方框图。

参照图7，参考标号1表示光发射用激光器；2表示光传输聚光透镜；3表示多角镜；4表示使多角镜3沿箭头I方向转动的驱动电机；5表示发送控制信号以便对驱动电机4进行运行控制的电机控制器；6表示根据电机控制器5发送的控制信号把电流送到驱动电机4上的电流驱动器；7表示待测物体；9表示产生脉冲信号的振荡器；10表示接收光的聚光镜，其汇聚从测量表面上反射的激光束；11表示PSD(接收光的位置敏感检测器)，其检测由聚光镜汇聚和聚焦的激光束的光点位置；12表示A/D(模拟-数字)转换器，其根据由振荡器9传输的脉冲信号把PSD11的输出信号从模拟形式转换成数字形式；13表示计算单元，其根据A/D转换器12的输出信号计算高度信息；15表示移动载物台，其上置有物体7；16表示用于沿Y方向移动所述载物台的脉冲电机；25表示对脉冲电机16的驱动进行控制的控制器。

下面将参照包含上述元件的已有三维测量装置30说明各元件之间的关系及其工作原理。

首先在光传输系统中，从光发射用激光器1发出的激光束穿过光传输聚光透镜2送达多角镜3。由电流驱动器6产生的电机电流按照电机控制器5发送的控制信号送到电机4，由此使电机4或多角镜3沿箭头I的方向以恒定速度转动。而且，如图中所示，随着多角镜3沿箭头1的方向以恒定速度转动，由多角镜3反射后送到物体7表面7a上的激光束20在箭头II的方向上以恒定速度通常沿X方向从扫描开始位置21到扫描结束位置22对物体7的表面7a进行扫描。

此外，在激光束对物体7的表面7a进行扫描的同时，电机16在控制器25的控制下使物体7在Y方向上以恒定速度移动。因此，激光对表面7a的扫描实际上并不是在完全平行于X轴的方向上进行，而是如图10所示与X方向稍有倾斜。

继之，在光接收系统中，由物体7的表面7a反射的反射激光束通过光接收聚光透镜10聚焦在PSD11上。此外，如图9所示，PSD11上的光点位置将相对物体7的凸凹表面7a移动。因此，通过检测PSD11上的移动量M可以利用三角测量原理来确定凸凹量H。

在接收光的位置检测系统中，正比于聚焦在PSD11上的光点位置和光量的输出信号从PSD11的输出端11a，11b传输到A/D转换器12。A/D转换器12借助由振荡器9发出的脉冲信号把PSD11的输出值从摸拟形式转换成数字形式并把数字值A，B传送到计算单元13。振荡器9还把脉冲信号传送到计算单元13。计算单元13针对数字值A、B根据计算公式P＝A/(A+B)进行运算，并输出运算结果作为高度信息。

在上述已有的三维测量装置30中，光传输系统通常是由高速扫描系统或低速扫描系统构成的，在高速扫描系统中，多角镜3由电机4带动产生转动，而在低速扫描系统中，用于放置物体7的载物台在脉冲电机或伺服电机的带动下产生移动。在这些系统中，为了使每个电机保持恒定的转速，通常需要频繁地接通和断开送到电机的电机电流。同时，由于在接通和断开电机电流时会产生电噪声，而电噪声将影响光点位置检测电路，所以存在难以提高高度信息测量精度的缺点。下面将参照图8对此进行更详细地解释。

如果没有任何电噪声的影响，PSD11的输出信号将为正常波形42，该波形中没有出现图8B中所示的噪声信号41。而另一方面，电机控制器5传送图8A中所示的控制信号43。另外，电流驱动器6响应控制信号43把电机电流送到电机4。因此，在电机电流的上升沿和下降沿时间t1，t3等时刻产生电噪声，这将使PSD11的输出信号中带有噪声信号41。而且，在A/D转换器12中，如图8B和8C中的时刻t2所示，如果在产生噪声信号41的时间周期内完成在从振荡器9送出的脉冲信号44(见图2B)的上升沿对PSD11输出信号的采样，那么将采集到噪声信号41，从而会在从计算单元13输出的高度信号中出现噪声信息45。然而，在时刻t3，由于控制信号43的下降沿(即电机电流的下降沿)和振荡器9的脉冲信号44的上升沿(PSD11输出信号的采样时间)同时出现所以没有采集噪声信号41，因而对高度信息不会产生不利影响。由上述情况可以看出，因送到电机4的电机电流通-断引起的电噪声会降低计算单元13输出的高度信息的精度。

因此，本发明的目的是提供一种能够高精度测量高度信息的三维测量装置和三维测量方法。

为了实现这些和其它目的，按照本发明的第一方面，所提供的一种三维测量装置包括：在控制扫描操作的同时借助光束对待测物体的凸凹表面进行扫描的光束扫描单元；和用于接收在扫描过程中由凸凹表面反射的反射光束的检测器单元，从反射光束中得到与物体凸凹状态有关的高度信息，并从检测器中送出高度信息，这些信息中不包含因在对光束扫描单元中的光束扫描操作进行时产生的噪声而导致的噪声信息。

按照本发明的第二方面，所提供的三维测量装置包括：在控制扫描操作的同时借助光束对待测物体的凸凹表面进行扫描的光束扫描单元；和用于接收在扫描过程中由凸凹表面反射的反射光束并由此得到与物体凸凹状态有关的高度信息的检测器单元；用于传输从检测器单元送出的高度信息信息传输调节单元，这些信息中不包含因在对光束扫描单元中的光束扫描操作进行时产生的噪声而导致的噪声信息。

按照本发明的第三方面，提供一种按第二方面所述的三维测量装置，其中信息传输调节单元是一个同步单元，其使得在控制扫描操作期间产生噪声的噪声形成时间与检测单元中的高度信息采样时间彼此同步。

按照本发明的第四方面，提供一种按第三方面所述的三维测量装置，该装置进一步包括一个用于产生脉冲信号的振荡器，产生的脉冲信号被送入检测单元以确定采样时间，光束扫描单元包括：光束产生源；使从光束发生源射出的光束形成反射的反射表面；用于移动反射表面使得光束相对于反射表面的反射角发生变化以便激光束对凸凹表面进行扫描的反射表面驱动单元；和驱动控制信号发生单元，其根据对扫描操作的控制把驱动控制信号传送到反射表面驱动单元以便通过对反射表面的驱动控制完成对光束扫描操作的控制，其中把由振荡器传输的脉冲信号送到同步单元，而同步单元使得从驱动控制信号发生单元送出的驱动控制信号与传送的脉冲信号同步。

按照本发明的第五方面，提供一种按第二方面所述的三维测量装置，其中信息传输调节单元是一个无效单元，其在对光束扫描单元中的扫描操作进行控制期间，在产生噪声的噪声形成阶段内使检测器单元的高度信息无效。

按照本发明的第六方面，提供一种按第二到第五方面中任一方面所述的三维测量装置，进一步包括一个移动单元，该单元只在光束扫描单元不进行光束扫描操作时才沿垂直于光束扫描的方向移动物体，以此改变扫描区域。

按照本发明的第七方面，提供一种三维测量方法，其包括：在控制扫描操作的同时用光束对待测物体的凸凹表面进行扫描；接收在扫描操作过程中由凸凹表面反射的反射光束；由此得到与物体凸凹状态有关的高度信息；并发送高度信息，该信息中不包含因在光束扫描操作的控制中产生的噪声而形成的噪声信息。

按照本发明的第八方面，提供一种按第七方面所述的三维测量方法，其中在对不包含噪声信息的高度信息发送的过程中，使扫描操作控制时产生噪声的噪声产生时间和高度信息采样时间彼此同步。

按照本发明的第九方面，提供一种按第七方面所述的三维测量方法，其中在对不包含噪声信息的高度信息传输的过程中，使在控制扫描操作期间产生噪声的噪声产生周期内的高度信息无效。

通过下面参照附图对相关优选实施例进行的描述将使本发明的这些和其它方面以及特征变得加明显，其中：

图1是表示作为本发明第一实施例的三维测量装置结构的方框图；

图2A，2B，2C，2D和2E是说明图1所示三维测量装置工作情况的时基图；

图3是表示作为本发明第二实施例的三维测量装置结构的方框图；

图4A，4B，4C，4D，4E，4F和4G是说明图3所示三维测量装置工作情况的时基图；

图5是表示作为本发明第三实施例的三维测量装置结构的方框图；

图6是表示在图5所示的三维测量装置中在待测物体上扫描方向的视图；

图7是表示传统三维测量装置结构的方框图；

图8A，8B，8C和8D是说明图7中所示三维测量装置工作情况的时基图；

图9是表示从物体表面的凸凹信息中获取高度信息的原理图；和

图10是表示在图7所示的三维测量装置中在物体表面上扫描方向的视图。

在继续描述本发明之前，应提出的是在各附图中用相同的参考标号表示相同的部件。

下面将参照附图描述本发明第一实施例中的三维测量装置以及由该三维测量装置完成的三维测量方法。应注意的是在各附图中用相同的标号表示相同部件，并省略对它们的描述。

在本发明的实施例中，光束扫描单元的功能是通过如上所述的例如光发射用激光器1、光传输聚光透镜2、多角镜3、驱动电机4、电机控制器5和电流驱动器6完成的。同样在本发明的实施例中，检测单元的功能是通过例如光接收聚光透镜10、PSD11、A/D转换器12和计算单元13完成的。

在下述实施例中，信息传输调节单元的功能是通过例如触发电路8、无效单元14和控制器17完成的。

在本发明的实施例中，反射表面驱动单元的功能是通过例如驱动电机4完成的。

在本发明的实施例中，驱动器控制信号发生器的功能是通过例如电机控制器5和电流驱动器6完成的。

在本发明的实施例中，移动控制单元的功能是通过例如脉冲电机16和控制器17完成的。

如上所述，驱动系统的电机电流会产生噪声。然而，通过把第一实施例计设成使噪声发生时刻和A/D转换器12的采样时刻之间达成一致，由此来调节信息的传输，从而不会把噪声当作高度信息进行传送。作为能实现可进行这种同步操作的设备功能的例子，下面将描述一种在该实施例中设置的触发电路8。

如图1所示，在该实施例中的三维测量装置100不同于图7中所示的传统三维测量装置30，其中把响应由电机控制器5输出的控制信号进行数据锁存操作以便控制电机电流通断时间的触发电路8设置在电机控制器5的输出侧和电流驱动器6的输入侧。其它部分的结构与传统三维测量装置30的结构相同。把由振荡器9发出的脉冲信号作为时钟信号送入触发电路8。应注意到，驱动器控制信号的作用是由例如电流驱动器6传输的电机电流实现的。

下面将描述具有上述结构的三维测量装置100的工作情况。

如图2A所示，电机控制器5在例如已有技术中的时刻t1开始向触发电路8传送控制信号43。由于需要把由振荡器9发出的脉冲信号作为时钟信号送给触发电路8，所以触发电路8与脉冲信号44同步工作。因此，触发电路8与脉冲信号44同步地把控制信号43传送到电流驱动器。而且，如图2C所示，当电机控制器5开始传送控制信号时电流驱动器6不是从时刻t1而是从时刻t2开始与振荡器9的脉冲信号同步地向电机4传输电机电流101。

由于电机电流101是从电流驱动器6流向电机4，所以如图2D所示，当超过某个时间点例如电机电流101的上升沿时间t2的特定时间阶段时就会在PSD11的输出信号中出现噪声信号。此外，图2D中用虚线表示的噪声信号41显示的是已有技术的情况。

同时，由于由振荡器9发出的脉冲信号44也送到A/D转换器12和计算单元13，所以A/D转换器12对PSD11的输出信号进行采样的时间与脉冲信号44同步。因此，尽管如上所述，在时刻t2，PSD11的输出信号中会产生噪声信号102，但是由于A/D转换器12在时刻t2对PSD11的输出信号进行采样，所以噪声信号102将不会对高度信息有任何影响。而且，如图2A，2C，2D所示，甚至可以在电机电流101的下降沿，即图中的时刻t6对PSD11的输出信号进行采样。因此，如图2E所示，从计算单元13传出的最终的高度信息不会受到噪声的任何影响。

从上述可以看出，该实施例中三维装置100能够高精度地测量高度信息。

虽然在该实施例中使用数字式计算单元13来计算光点位置，但是也可以用模拟计算单元代替之。

还可以设置一个延迟元件，该元件接收来自振荡器9的脉冲信号以便向A/D转换器12和触发电路8输送延迟的脉冲信号，用这种方式可以对A/D转换器12中的采样时间和电流驱动器6输出的电机电流的时间进行精密调节。

此外，为了驱动脉冲电机16，可以用触发电路8来完成以上操作。

还可以在振荡器9发送脉冲信号44的基础上产生由电机控制器5发送的控制信号43。在这种情况下，不需要设置上述触发电路8。

下面将描述本发明第二实施例所述的三维测量装置110。在这个三维测量装置110中，为了调节高度信息的传输使上述噪声不随高度信息传输，而设置了一个无效单元14，该单元能使因在扫描操作控制期间产生的噪声而引出的任何噪声信息无效。应注意到，如图3所示，三维测量装置110除设置了无效单元14外，其它均与图7中所示传统三维测量装置30的结构相似。

如图3所示，无效单元14包括触发电路113、XOR(或)电路114和AND电路115。把由电机控制器5发送的控制信号43送到触发电路113，并将振荡器9发送的脉冲信号44作为时钟信号送到触发电路113，得到的输出信号传送到XOR电路114的一个输入端，XOR电路的另一个输入端输入振荡器9的脉冲信号44。XOR电路114的输出信号发送到AND电路115的一个输入端，AND电路115的另一个输入端输送的是振荡器9的脉冲信号44。AND电路115的输出信号作为时钟信号传送到计算单元13。如下面所述，具有述结构的无效单元14在产生噪声的周期内将不向计算单元13传送时钟信号。

下面将解释具有上述结构的三维测量装置110的工作情况。除了与无效单元14有关的情况外，其它工作情况均与已有三维测量装置30相似。因此，下面的描述将主要涉及与无效单元14有关的工作状态。

如图4A所示，电流驱动器6根据电机控制器5传送的控制信号43在时刻t1开始向电机4输送电流。此外，如上所述且如图4F所示，在从时刻t1开始的特定时间阶段内在PSD11的输出信号中持续产生噪声信号41。同时，由于数据终端触发电路113在接收电机控制器5传输的控制信号43的同时还接收来自振荡器9的脉冲信号44(见4B)作为时钟信号，所以如图4C所示，得到的输出信号111在时刻t4开始上升。触发电路113的这一输出信号传送到XOR电路114的一个输入端，电路114的另一个输入端接收振荡器9的脉冲信号44。因此，XOR电路114的输出信号112形成一种如图4D所示在从时刻t1到时刻t4的周期内保持上升的信号。将XOR电路114的这一输出信号112反向并输送到AND电路115的一个输入端。由于AND电路115的另一个输入端接收由振荡器9传输的脉冲信号44，所以在图4E所示的时刻t1到时刻t4的阶段内时钟信号116决不会从AND电路115到达计算单元13。

如上所述，在从时刻t1开始的特定时间阶段内，噪声信号41被送入计算单元13。然而，由于在从时刻t1到时刻t4的阶段内时钟信号116并不从AND电路115传送到计算单元13，所以在从时刻t1到时刻t4的阶段内传送到计算单元13的信号是无效的。而且，计算单元13并不把在时刻t1到时刻t4的阶段内输送的信息作为高度信息进行传送。所以，决不会把噪声信号作为高度信息传送到外部。用这种方式，三维测量装置110能够在不受因电机电流引起的噪声的影响下高精度测量高度信息。

就包含无效信息的各阶段的高度信息而言，计算单元13在例如如图4G中的时刻tA传输高度信息。另外，还可以使计算单元13在时刻tA不传输通常的高度信息，而是传输通过内插处理得到的更高精度的高度信息，例如时刻tA的高度信息和时刻tC的高度信息之间的平均值或是在时刻tB对Y方向的一次扫描之前和之后的高度信息进行平均后的信息。

此外，与第一实施例的结构相比，第二实施例的结构由于对驱动系统的控制产生的影响很小，所以它能实现更高精度的扫描。

下面参照图5说明按照本发明第三实施例所述的三维测量装置120。

 如上所述，在第一和第二实施例的三维测量装置100、110中，与传统的三维测量装置30一样，是在沿Y方向以恒定速度移动物体7的同时用激光束对物体7的表面7a进行扫描。所以，如图1和3所示，输送到电机6的电机电流会产生影响PSD11输出信号的噪声信号。从这个观点出发，设计了该实施例的三维测量装置120，这个装置使PSD11的输出信号不会受到因向电机16输送使物体7沿Y方向运动所需电机电流而引发的任何噪声的影响。图5示出了一种以第一实施例中的三维测量装置100为基础的结构，其中PSD11的输出信号不会受到因向电机16输送沿Y方向运动所需电机电流而产生的任何噪声的影响。然而，该结构也可以以第二实施例中的三维测量装置110为基础。此外，所述结构还可以是第三实施例所述三维测量装置120独有的与三维测量装置100或110不同的结构。

下面将描述该实施例中三维测量装置120的结构。

与图1所示三维测量装置100的结构相比，图5所示的三维测量装置包括代替控制器25并控制脉冲电机16驱动的控制器17和用于检测电机4的转动位置并把最终的检测信号送到控制器17的转动位置检测器18。其它结构均与三维测量装置100相同，因此省略对这些部分的说明。

现在解释按上述结构构成的三维测量装置120的工作情况。

如图中所示，多角镜3是多面体形状。所以当激光束连续照在彼此相邻的反射镜121和反射镜122之间的边界123上时，将不对物体7进行扫描。因此，通过把代表激光连续照到边界123上的阶段信号从转动位置检测器18传送到控制器17，使控制器17只在激光照射边界123的阶段内把电机电流送到电机16，便可以使移动载物台15如图6所示在Y方向上移动一定距离421。尽管在向脉冲电机16输送电机电流时会产生噪声，但是在该时刻扫描并不受此影响，所以即使是在PSD11的输出信号中混有噪声，也不会把噪声作为高度信息传输。另一方面，在用激光束沿X方向对物体7的表面7a进行扫描时，决不会把电机电流送到脉冲电机16，所以在PSD11的输出信号中不会产生因向脉冲电机16输送电机电流而出现的噪声。

正如上述第一实施例的三维测量装置100那样，对因向电机4输送电机电流而引起的噪声而言，由于产生噪声的时间和PSD11输出信号的采样时间彼此同步，所以不会把噪声作为高度信息从计算单元13中输出。由于三维测量装置120能够在不能消除噪声的极短采样阶段内进行高精度采样，因此，三维测量装置120能够高精度地测量高度信息和获得高精度测量结果。

如上面详细描述的那样，接照本发明第一和第二方面所述的三维测量装置以及本发明第七方面所述的三维测量方法，可以在对用光束照射物体的扫描操作进行控制时传输高度信息，该高度信息不包含因产生噪声而引发的噪声信息。这样便可以提供能高精度测量高度信息的三维测量装置和方法。

按照本发明第三和第八方面所述的三维测量装置和方法，由于产生噪声的噪声发生时间和在检测器中对高度信息进行采样的时间是彼此同步的，所以在采样时不会采集噪声。因此，能够提供一种可防止噪声信息混入输出的高度信息中并能以高精度测量高度信息的三维测量装置和方法。

另外，按照本发明第五和第九方面所述的三维测量装置和方法，由于在产生噪声的噪声发生阶段内包含噪声的高度信息是无效的，所以包含噪声的高度信息不可能作为高度信息传输。这样就可以提供一种能够高精度测量高度信息的三维测量装置和方法。

在本文中所参照的申请日为1996年8月9日的日本专利公报8-210914整个公开文本包括说明书、权利要求书、附图和摘要。

虽然已参照附图对本发明的优选实施例作了完整说明，但是应注意的是对熟悉本领域的技术人员来说，能够对本发明作出各种变化和改进。很显然，在不脱离本发明范围的情况下，这些变化和改进均包含在由所属权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (9)

1.三维测量装置，包括：

光束扫描单元(1，2，3，4，5，6)，该单元用光束对待测物体(7)的凸凹表面(7a)进行扫描，同时控制扫描操作；和

检测单元(10，11，12，13)，该单元接收在扫描操作过程中由凸凹表面反射的反射光束，由此得到与物体凸凹状况有关的高度信息，并发送检测单元的高度信息，所述信息中不包含在对光束扫描单元中的光束扫描操作进行控制期间因产生噪声而引发的噪声信息。

2.三维测量装置，包括：

光束扫描单元(1，2，3，4，5，6)，该单元用光束对待测物体(7)的凸凹表面(7a)进行扫描，同时控制扫描操作；和

检测单元(10，11，12，13)，该单元接收在扫描操作过程中由凸凹表面反射的反射光束并由此得到与物体凸凹状况有关的高度信息；和

信息传输调节单元(8，14，17)，该单元传输来自检测单元的高度信息，所述信息中不包含在对光束扫描单元中的光束扫描操作进行控制期间因产生噪声而引发的噪声信息。

3.按照权利要求2所述的三维测量装置，其特征在于信息传输调节单元是用于使在扫描操作控制期间产生噪声的噪声发生时间和在检测单元中对高度信息进行采样的时间彼此同步的同步单元(8)。

4.按照权利要求3所述的三维测量装置，其特征在于进一步包括一个用于产生脉冲信号的振荡器(9)，将所述脉冲信号发送到检测单元以确定采样时间，

光束扫描单元包括：光束发生源(1)；对从光束发生源(1)发射的光束进行反射的反射表面(121，122，3)；移动反射表面使光束相对反射表面的反射角发生变化，从而便于激光束对凸凹表面进行扫描的反射表面驱动单元(4)；和驱动和控制信号发生单元(5，6)，该单元根据扫描操作的控制向反射表面驱动单元发送驱动控制信号以便通过控制反射表面的驱动完成对光束扫描操作的控制，

其中把由振荡器发出的脉冲信号传送到同步单元，同步单元使从驱动控制信号发生单元发送的驱动控制信号与所传送的脉冲信号同步。

5.按照权利要求2所述的三维测量装置，其特征在于信息传输调节单元是一个无效单元(14)，在对光束扫描单元中的扫描操作进行控制期间，该信息传输调节单元使得在噪声发生的噪声发生阶段内从检测单元得到的高度信息无效。

6.按照权利要求2-5中任一权利要求所述的三维测量装置，其特征在于进一步包括一个多动单元(16，17，18)，该单元只有当用光束扫描单元进行光束扫描操作时，才在垂直于光束扫描的方向移动物体，由此改变扫描区域。

7.三维测量方法，包括：

在控制扫描操作的同时用光束对待测物体(7)的凸凹表面(7a)进行扫描；

接收在扫描操作过程中由凸凹表面反射的反射光束；

由此得到与物体凸凹状态有关的高度信息；和

发送高度信息，该信息中不包含在控制光束扫描操作期间因产生噪声而引发的噪声信息。

8.按照权利要求7所述的三维测量方法，其特征在于在发送不包含噪声信息的高度信息时，在控制扫描操作期间产生噪声的噪声发生时间和高度信息的采样时间彼此同步。

9.按照权利要求7所述的三维测量方法，其特征在于在传输不包含噪声信息的高度信息时，在控制扫描操作的过程中，高度信息在产生噪声的噪声发生周期内无效。

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