JP2001108418A - ３次元形状測定方法および装置 - Google Patents
３次元形状測定方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 背景光の影響による誤差を減らすとともに、
光軸ずれによる誤差を減らす。 【解決手段】 測定対象物９に光を照射してその３次元
形状を測定する。光を測定対象物９に照射する照射手段
３と、測定対象物９に照射されるべき光を変調する変調
手段１，２と、測定対象物９からの反射光を受光して、
電気的画像信号に変換する光電変換手段１３と、照射光
を変調する位相と変換された画像信号とを対応づけする
ように同期化する制御手段１５と、対応づけされた画像
情報を測定対象物の高さデータに変換する演算手段１６
と、を備える。変調手段１，２は、照射光の光束を通過
させる部分を変化させ、照射光の半分ずつを遮光する位
置に配置される。
光軸ずれによる誤差を減らす。 【解決手段】 測定対象物９に光を照射してその３次元
形状を測定する。光を測定対象物９に照射する照射手段
３と、測定対象物９に照射されるべき光を変調する変調
手段１，２と、測定対象物９からの反射光を受光して、
電気的画像信号に変換する光電変換手段１３と、照射光
を変調する位相と変換された画像信号とを対応づけする
ように同期化する制御手段１５と、対応づけされた画像
情報を測定対象物の高さデータに変換する演算手段１６
と、を備える。変調手段１，２は、照射光の光束を通過
させる部分を変化させ、照射光の半分ずつを遮光する位
置に配置される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアルミ、プラスチッ
クやガラスなどの材料やそれを用いた製品の微細な３次
元形状を求める形状測定装置に関するものである。
クやガラスなどの材料やそれを用いた製品の微細な３次
元形状を求める形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、成形やレーザ加工などの微細加工
技術が向上し、サブミクロンの形状精度で様々な３次元
形状の製品が量産可能になった。そのため加工した製品
の形状評価に必要な測定精度も上がってきている。
技術が向上し、サブミクロンの形状精度で様々な３次元
形状の製品が量産可能になった。そのため加工した製品
の形状評価に必要な測定精度も上がってきている。
【０００３】従来このような微小な形状の測定方法とし
て、図７のようなＴＴＬ方式（スルー・ザ・レンズ方
式）等でレーザ光を照射し、高さによるレーザスポット
位置の変化を検出して形状を測定する方式が一般に採用
されている。たとえば、特開平１０−６２１６１号公報
には、この種の方式の測距センサあるいは測距ユニット
等が開示されている。
て、図７のようなＴＴＬ方式（スルー・ザ・レンズ方
式）等でレーザ光を照射し、高さによるレーザスポット
位置の変化を検出して形状を測定する方式が一般に採用
されている。たとえば、特開平１０−６２１６１号公報
には、この種の方式の測距センサあるいは測距ユニット
等が開示されている。
【０００４】図７において、１０１はナイフエッジ、１
０３はレーザダイオード、１０４は照明レンズ、１０６
はビームスプリッタ、１０８は対物レンズ、１０９は測
定対象物、１１０は測定対象物１０９を支持するステー
ジ、１１２は結像レンズ、１１３は２つのフォトダイオ
ード１０３ａ，１０３ｂを有する２分割フォトダイオー
ド、１１４はＡ／Ｄ変換器、１１５はステージ駆動回
路、１１６はコンピュータ、１１７はモニタ表示器、１
１８は比較回路、１１９はレーザダイオード電源であ
る。
０３はレーザダイオード、１０４は照明レンズ、１０６
はビームスプリッタ、１０８は対物レンズ、１０９は測
定対象物、１１０は測定対象物１０９を支持するステー
ジ、１１２は結像レンズ、１１３は２つのフォトダイオ
ード１０３ａ，１０３ｂを有する２分割フォトダイオー
ド、１１４はＡ／Ｄ変換器、１１５はステージ駆動回
路、１１６はコンピュータ、１１７はモニタ表示器、１
１８は比較回路、１１９はレーザダイオード電源であ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の構成ではつぎのような点で、高精度化に対する問
題があった。まず、周囲からの光の回込みがあると、レ
ーザスポットの重心位置が変化するため、測定結果に誤
差を生ずる。上記構成では測定中は暗くしなければなら
ない。そのため、測定個所の位置合わせ時には外部照明
を灯けて位置合わせをし、測定時には外部照明を消さな
ければならず、操作が煩雑であった。
従来の構成ではつぎのような点で、高精度化に対する問
題があった。まず、周囲からの光の回込みがあると、レ
ーザスポットの重心位置が変化するため、測定結果に誤
差を生ずる。上記構成では測定中は暗くしなければなら
ない。そのため、測定個所の位置合わせ時には外部照明
を灯けて位置合わせをし、測定時には外部照明を消さな
ければならず、操作が煩雑であった。
【０００６】また、２分割フォトダイオード１１３の位
置が光軸から僅かでもずれると、そのずれは、直接レー
ザスポットの重心位置がずれたことに相当する誤差とし
てあらわれる。このため上記構成では２分割フォトダイ
オード１１３だけでなく、フォトダイオード１０３や照
明レンズ１０４、ナイフエッジ１０１、さらに対物レン
ズ１０８やビームスプリッタ１０６、結像レンズ１１２
も機械的に高精度に組み付けておかなければならない。
そのため、顕微鏡部の加工に極めて多くのコストがかか
る上、経時変化による誤差も生じ易かった。
置が光軸から僅かでもずれると、そのずれは、直接レー
ザスポットの重心位置がずれたことに相当する誤差とし
てあらわれる。このため上記構成では２分割フォトダイ
オード１１３だけでなく、フォトダイオード１０３や照
明レンズ１０４、ナイフエッジ１０１、さらに対物レン
ズ１０８やビームスプリッタ１０６、結像レンズ１１２
も機械的に高精度に組み付けておかなければならない。
そのため、顕微鏡部の加工に極めて多くのコストがかか
る上、経時変化による誤差も生じ易かった。
【０００７】そこで本発明の目的はこのような従来技術
の問題点に鑑み、３元形状測定装置において、背景光の
影響による誤差を減らすとともに、光軸ずれによる誤差
を減らすことにある。
の問題点に鑑み、３元形状測定装置において、背景光の
影響による誤差を減らすとともに、光軸ずれによる誤差
を減らすことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による３次元形状
測定方法は、測定対象物に光を照射してその３次元形状
を測定するようにした３次元形状測定方法であって、光
を測定対象物に照射する工程と、測定対象物に照射され
るべき光を変調する工程と、測定対象物からの反射光を
受光して、電気的画像信号に変換する工程と、照射光を
変調する位相と変換された画像信号とを対応づけするよ
うに同期化する工程と、対応づけされた画像情報を測定
対象物の高さデータに変換する工程と、を備えたことを
特徴とする。
測定方法は、測定対象物に光を照射してその３次元形状
を測定するようにした３次元形状測定方法であって、光
を測定対象物に照射する工程と、測定対象物に照射され
るべき光を変調する工程と、測定対象物からの反射光を
受光して、電気的画像信号に変換する工程と、照射光を
変調する位相と変換された画像信号とを対応づけするよ
うに同期化する工程と、対応づけされた画像情報を測定
対象物の高さデータに変換する工程と、を備えたことを
特徴とする。
【０００９】また、本発明の３次元形状測定方法におい
て照射光の異なる光束領域を部分的に遮光することによ
り、照射光を変調することを特徴とする。
て照射光の異なる光束領域を部分的に遮光することによ
り、照射光を変調することを特徴とする。
【００１０】また、本発明の３次元形状測定方法におい
て第１の変調した照射光から得た画像を入力する工程
と、第２の変調した照射光から得た画像を入力する工程
と、第３の変調した照射光から得た画像を入力する工程
と、第１の画像と第３の画像を減算演算して、第１の重
心位置を求める工程と、第２の画像と第３の画像を減算
演算して、第２の重心位置を求める工程と、第１の重心
位置と第２の重心位置を減算演算して、重心間画素数を
求める工程と、重心間画素数を測定対象物の高さデータ
に変換する工程と、をさらに備えたことを特徴とする。
て第１の変調した照射光から得た画像を入力する工程
と、第２の変調した照射光から得た画像を入力する工程
と、第３の変調した照射光から得た画像を入力する工程
と、第１の画像と第３の画像を減算演算して、第１の重
心位置を求める工程と、第２の画像と第３の画像を減算
演算して、第２の重心位置を求める工程と、第１の重心
位置と第２の重心位置を減算演算して、重心間画素数を
求める工程と、重心間画素数を測定対象物の高さデータ
に変換する工程と、をさらに備えたことを特徴とする。
【００１１】また、本発明の３次元形状測定方法におい
て測定対象物の複数の高さデータを計算して、その測定
対象物の形状の測定を行うことを特徴とする。
て測定対象物の複数の高さデータを計算して、その測定
対象物の形状の測定を行うことを特徴とする。
【００１２】また、本発明の３次元形状測定装置は測定
対象物に光を照射してその３次元形状を測定するように
した３次元形状測定装置であって、光を測定対象物に照
射する照射手段と、測定対象物に照射されるべき光を変
調する変調手段と、測定対象物からの反射光を受光し
て、電気的画像信号に変換する光電変換手段と、照射光
を変調する位相と変換された画像信号とを対応づけする
ように同期化する制御手段と、対応づけされた画像情報
を測定対象物の高さデータに変換する演算手段と、を備
えたことを特徴とする。
対象物に光を照射してその３次元形状を測定するように
した３次元形状測定装置であって、光を測定対象物に照
射する照射手段と、測定対象物に照射されるべき光を変
調する変調手段と、測定対象物からの反射光を受光し
て、電気的画像信号に変換する光電変換手段と、照射光
を変調する位相と変換された画像信号とを対応づけする
ように同期化する制御手段と、対応づけされた画像情報
を測定対象物の高さデータに変換する演算手段と、を備
えたことを特徴とする。
【００１３】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て変調手段は、照射光の光束を通過させる部分を変化さ
せ得る位置に配置されることを特徴とする。
て変調手段は、照射光の光束を通過させる部分を変化さ
せ得る位置に配置されることを特徴とする。
【００１４】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て変調手段は、照射光の半分ずつを遮光する位置に配置
されることを特徴とする。
て変調手段は、照射光の半分ずつを遮光する位置に配置
されることを特徴とする。
【００１５】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て変調手段は、機械的動作のシャッタであることを特徴
とする。
て変調手段は、機械的動作のシャッタであることを特徴
とする。
【００１６】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て変調手段は、液晶シャッタであることを特徴とする。
て変調手段は、液晶シャッタであることを特徴とする。
【００１７】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て変調手段は、回転する穴明き円盤であることを特徴と
する。
て変調手段は、回転する穴明き円盤であることを特徴と
する。
【００１８】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て変調手段は、複数のスリット状の開口を持つことを特
徴とする。
て変調手段は、複数のスリット状の開口を持つことを特
徴とする。
【００１９】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て光電変換手段は、テレビカメラであることを特徴とす
る。
て光電変換手段は、テレビカメラであることを特徴とす
る。
【００２０】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て光電変換手段は、２分割フォトダイオードであること
を特徴とする。
て光電変換手段は、２分割フォトダイオードであること
を特徴とする。
【００２１】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て光電変換手段は、４分割フォトダイオードであること
を特徴とする。
て光電変換手段は、４分割フォトダイオードであること
を特徴とする。
【００２２】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て制御手段は、照射光の変調と画像入力のタイミングの
基準となるクロックを発生させることを特徴とする。
て制御手段は、照射光の変調と画像入力のタイミングの
基準となるクロックを発生させることを特徴とする。
【００２３】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て制御手段は、照射光の変調の位相情報を出力すること
を特徴とする。
て制御手段は、照射光の変調の位相情報を出力すること
を特徴とする。
【００２４】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て制御手段は、同期検波方式で照射光を変調する位相と
変換された画像信号とを対応づけすることを特徴とす
る。
て制御手段は、同期検波方式で照射光を変調する位相と
変換された画像信号とを対応づけすることを特徴とす
る。
【００２５】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て演算手段は、照射光を変調するための複数の位相タイ
ミングにおける入力信号に基づき、高さデータを計算す
ることを特徴とする。
て演算手段は、照射光を変調するための複数の位相タイ
ミングにおける入力信号に基づき、高さデータを計算す
ることを特徴とする。
【００２６】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て演算手段は、照射光を変調するための複数の位相タイ
ミングにおける受光スポットの重心位置の差に基づき、
高さデータを計算することを特徴とする。
て演算手段は、照射光を変調するための複数の位相タイ
ミングにおける受光スポットの重心位置の差に基づき、
高さデータを計算することを特徴とする。
【００２７】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て受光スポットの重心位置をＣＣＤセンサで検出するこ
とを特徴とする。
て受光スポットの重心位置をＣＣＤセンサで検出するこ
とを特徴とする。
【００２８】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て受光スポットの重心位置を２分割フォトダイオードで
検出することを特徴とする。
て受光スポットの重心位置を２分割フォトダイオードで
検出することを特徴とする。
【００２９】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て受光スポットの重心位置をテレビカメラで検出するこ
とを特徴とする。
て受光スポットの重心位置をテレビカメラで検出するこ
とを特徴とする。
【００３０】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て測定対象物の複数の高さデータを計算して、その測定
対象物の形状の測定を行うことを特徴とする。
て測定対象物の複数の高さデータを計算して、その測定
対象物の形状の測定を行うことを特徴とする。
【００３１】また、本発明の３次元形状測定方法におい
て測定対象物が、インクジェットプリンタカートリッ
ジ、複写機カートリッジ、レーザプリンタカートリッジ
または液晶表示器であることを特徴とする。
て測定対象物が、インクジェットプリンタカートリッ
ジ、複写機カートリッジ、レーザプリンタカートリッジ
または液晶表示器であることを特徴とする。
【００３２】また、本発明の３次元形状測定装置におい
て測定対象物が、インクジェットプリンタカートリッ
ジ、複写機カートリッジ、レーザプリンタカートリッジ
または液晶表示器であることを特徴とする。
て測定対象物が、インクジェットプリンタカートリッ
ジ、複写機カートリッジ、レーザプリンタカートリッジ
または液晶表示器であることを特徴とする。
【００３３】本発明によれば上記構成において、光を測
定対象に照射する手段は、光源で発生される照明光をレ
ンズやビームスプリッタ等で測定対象物まで導く。この
中に測定対象に照射される光を変調する手段が組み込ま
れる。
定対象に照射する手段は、光源で発生される照明光をレ
ンズやビームスプリッタ等で測定対象物まで導く。この
中に測定対象に照射される光を変調する手段が組み込ま
れる。
【００３４】変調手段は照明光束のうち一部の光束を通
過させ、他の部分の光を遮るように働き、時間の経過ま
たは外部からの信号に従い、どの部分を通過させるかの
特性が変化する。具体的には、２枚のナイフエッジが交
互に出入りし、光束の左右半分ずつを排他的に選択透過
させる方法や、液晶シャッタやメカシャッタ等によりこ
れを行うこともできる。
過させ、他の部分の光を遮るように働き、時間の経過ま
たは外部からの信号に従い、どの部分を通過させるかの
特性が変化する。具体的には、２枚のナイフエッジが交
互に出入りし、光束の左右半分ずつを排他的に選択透過
させる方法や、液晶シャッタやメカシャッタ等によりこ
れを行うこともできる。
【００３５】光電変換手段は、ＣＣＤ素子やフォトダイ
オードにより受光した照明光の重心を演算する。制御手
段は、照射光の変調具合によって変化する入力信号が、
照射光のどの変調位相のときのものかを対応づけする。
同期検波回路では照明の変調位相に対応して入力信号の
極性を反転させて取り扱う。また、テレビカメラでは１
画面毎に変調具合を変え、変調状態と撮像画像との対応
をとる。入力された画像信号と対応づけされた情報を測
定対象の高さデータに変換する演算手段は、照明光の変
調具合による照明光のスポット重心の位置変化を高さデ
ータに比例変換する。
オードにより受光した照明光の重心を演算する。制御手
段は、照射光の変調具合によって変化する入力信号が、
照射光のどの変調位相のときのものかを対応づけする。
同期検波回路では照明の変調位相に対応して入力信号の
極性を反転させて取り扱う。また、テレビカメラでは１
画面毎に変調具合を変え、変調状態と撮像画像との対応
をとる。入力された画像信号と対応づけされた情報を測
定対象の高さデータに変換する演算手段は、照明光の変
調具合による照明光のスポット重心の位置変化を高さデ
ータに比例変換する。
【００３６】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明による
３次元形状測定方法および装置の好適な実施の形態を説
明する。図１は本発明の特徴を最もよく表す図である。
１および２はシャッタであり、レーザダイオード（照射
手段）３の発する光束の一部を遮り、照射光の光束を通
過させる部分を変化させることができる。なお、シャッ
タ１，２は機械的に動作するシャッタ、あるいはレーザ
ダイオード３の光路で回転する穴明き円盤や複数のスリ
ット状の開口を持つものであってもよい。４はレーザダ
イオード３の発する光を平行光にする照明レンズであ
る。
３次元形状測定方法および装置の好適な実施の形態を説
明する。図１は本発明の特徴を最もよく表す図である。
１および２はシャッタであり、レーザダイオード（照射
手段）３の発する光束の一部を遮り、照射光の光束を通
過させる部分を変化させることができる。なお、シャッ
タ１，２は機械的に動作するシャッタ、あるいはレーザ
ダイオード３の光路で回転する穴明き円盤や複数のスリ
ット状の開口を持つものであってもよい。４はレーザダ
イオード３の発する光を平行光にする照明レンズであ
る。
【００３７】平行光にされたレーザ光の一部をシャッタ
１およびシャッタ２で遮ることができる。シャッタ１お
よび２はそれぞれ、シャッタ開閉回路５により独立に開
閉することができる。各シャッタ１，２が遮る光束は、
互いに反対側の半分ずつの光束となるように調整されて
いる。つまりシャッタ１，２は変調手段として機能す
る。
１およびシャッタ２で遮ることができる。シャッタ１お
よび２はそれぞれ、シャッタ開閉回路５により独立に開
閉することができる。各シャッタ１，２が遮る光束は、
互いに反対側の半分ずつの光束となるように調整されて
いる。つまりシャッタ１，２は変調手段として機能す
る。
【００３８】シャッタ部を通過した光は、対物レンズ８
で集光され、ステージ１０上の測定対象物９に照射され
る。測定対象物９で反射されたレーザ光はふたたび対物
レンズ８を通り、ビームスプリッタ６で反射される。そ
して結像レンズ１２で光電変換手段としてのＩＴＶカメ
ラ１３の受光面上にスポット光として結像される。ま
た、１１は観察用の照明光源である。
で集光され、ステージ１０上の測定対象物９に照射され
る。測定対象物９で反射されたレーザ光はふたたび対物
レンズ８を通り、ビームスプリッタ６で反射される。そ
して結像レンズ１２で光電変換手段としてのＩＴＶカメ
ラ１３の受光面上にスポット光として結像される。ま
た、１１は観察用の照明光源である。
【００３９】ここで、測定対象物９は、インクジェット
プリンタカートリッジ、複写機カートリッジ、レーザプ
リンタカートリッジあるいは液晶表示器等であってよ
い。
プリンタカートリッジ、複写機カートリッジ、レーザプ
リンタカートリッジあるいは液晶表示器等であってよ
い。
【００４０】さて、本発明ではシャッタ１およびシャッ
タ２の開閉とＩＴＶカメラ１３の画像の入力のタイミン
グを制御し、制御回路１５によりシャッタ１，２の開閉
と画像入力回路１４を同期させることで、有効な効果を
得ることができる。コンピュータ１６は制御回路１５か
らのタイミング信号と画像入力回路１４からの画像デー
タにより測定対象物９の高さを演算し、モニタ表示１７
に表示するとともに、外部に接続された機器へ演算結果
を出力する。
タ２の開閉とＩＴＶカメラ１３の画像の入力のタイミン
グを制御し、制御回路１５によりシャッタ１，２の開閉
と画像入力回路１４を同期させることで、有効な効果を
得ることができる。コンピュータ１６は制御回路１５か
らのタイミング信号と画像入力回路１４からの画像デー
タにより測定対象物９の高さを演算し、モニタ表示１７
に表示するとともに、外部に接続された機器へ演算結果
を出力する。
【００４１】上記構成で測定対象物９が対物レンズ８へ
近づいた場合、測定対象物９からの反射光は点線のよう
な光路を進む。これは、測定対象物９が対物レンズ８へ
近づくことにより、結像レンズ１２による結像位置が結
像レンズ１２から遠ざかるためである。この場合、ＩＴ
Ｖカメラ１３で得られる半月状のレーザスポット光画像
は、図２（Ａ）のように「十字」で示した中心位置から
ずれる。
近づいた場合、測定対象物９からの反射光は点線のよう
な光路を進む。これは、測定対象物９が対物レンズ８へ
近づくことにより、結像レンズ１２による結像位置が結
像レンズ１２から遠ざかるためである。この場合、ＩＴ
Ｖカメラ１３で得られる半月状のレーザスポット光画像
は、図２（Ａ）のように「十字」で示した中心位置から
ずれる。
【００４２】また、図１の状態とは逆にシャッタ１を閉
じるとともに、シャッタ２を開き、レーザスポット光画
像の反対側の光束を通過させた場合、図２（Ｂ）のよう
に図２（Ａ）とは逆方向へレーザ光の像がずれる。
じるとともに、シャッタ２を開き、レーザスポット光画
像の反対側の光束を通過させた場合、図２（Ｂ）のよう
に図２（Ａ）とは逆方向へレーザ光の像がずれる。
【００４３】なお、図２（Ａ），図２（Ｂ）において背
景の画像に濃淡が生じているが、これは測定対象の表面
状態の違いにより反射率の高い部分と低い部分とがある
ためである。シャッタ１およびシャッタ２を両方閉じて
画像を入力すると、この場合には背景画像が図２（Ｃ）
のように得られる。画像処理により重心演算を行う際
に、図２（Ａ）のものから図２（Ｃ）を引き算し、ある
いは図２（Ｂ）のものから図２（Ｃ）を引き算すること
により、背景の影響を除くことができる。
景の画像に濃淡が生じているが、これは測定対象の表面
状態の違いにより反射率の高い部分と低い部分とがある
ためである。シャッタ１およびシャッタ２を両方閉じて
画像を入力すると、この場合には背景画像が図２（Ｃ）
のように得られる。画像処理により重心演算を行う際
に、図２（Ａ）のものから図２（Ｃ）を引き算し、ある
いは図２（Ｂ）のものから図２（Ｃ）を引き算すること
により、背景の影響を除くことができる。
【００４４】さて、シャッタ１，２の開閉と画像の入力
の位相関係を、図３にて説明する。図３は、ノンインタ
レース式のカメラを用いた例である。カメラの垂直同期
信号（ＶＤ信号）ごとに、シャッタ１，２の開閉および
画像の取込みが行われる。まず、シャッタ１を開き、１
ＶＤ期間の蓄積時間がある。ここで撮像された画像は、
つぎの１ＶＤ期間で電気信号として出力される。このと
きシャッタ１は閉じ、シャッタ２を開き、シャッタ２を
開いたときの画像をＩＴＶカメラ１３で撮像する。そし
て、シャッタ１を開いたときの画像信号を、画像入力回
路１４でコンピュータ１６のメモリへ記録する。
の位相関係を、図３にて説明する。図３は、ノンインタ
レース式のカメラを用いた例である。カメラの垂直同期
信号（ＶＤ信号）ごとに、シャッタ１，２の開閉および
画像の取込みが行われる。まず、シャッタ１を開き、１
ＶＤ期間の蓄積時間がある。ここで撮像された画像は、
つぎの１ＶＤ期間で電気信号として出力される。このと
きシャッタ１は閉じ、シャッタ２を開き、シャッタ２を
開いたときの画像をＩＴＶカメラ１３で撮像する。そし
て、シャッタ１を開いたときの画像信号を、画像入力回
路１４でコンピュータ１６のメモリへ記録する。
【００４５】つぎの１ＶＤ期間では、シャッタ１とシャ
ッタ２を閉じ、カメラ１３でレーザ光がないときの背景
画像を撮像する。そしてこのとき出力されるシャッタ２
を開いたときの画像信号を、画像入力回路１４を通して
コンピュータ１６のメモリへ記録する。
ッタ２を閉じ、カメラ１３でレーザ光がないときの背景
画像を撮像する。そしてこのとき出力されるシャッタ２
を開いたときの画像信号を、画像入力回路１４を通して
コンピュータ１６のメモリへ記録する。
【００４６】そのつぎの１ＶＤ期間では、シャッタ１を
開き、シャッタ１を開いたときの画像を撮像するととも
に、シャッタ１およびシャッタ２を閉じたときの背景画
像を画像入力回路１４を通してコンピュータ１６のメモ
リ上へ記録する。
開き、シャッタ１を開いたときの画像を撮像するととも
に、シャッタ１およびシャッタ２を閉じたときの背景画
像を画像入力回路１４を通してコンピュータ１６のメモ
リ上へ記録する。
【００４７】図４は、上記の３枚の画像に相当する第１
画像から第３画像の入力とその演算処理フローを示して
いる。第１画像から第３画像の入力後（ステップＳ１〜
Ｓ３）、まず、シャッタ１を開いたときの第１画像から
シャッタ１、シャッタ２とも閉じた第３画像を差し引
く。これにより背景画像は差し引かれ、レーザ光の半月
状の画像が得られる。こうすることで、一般的な重心を
求める画像処理アルゴリズムを適用することができ、レ
ーザ光の重心位置が求められる（ステップＳ４）。つぎ
にシャッタ２を開いたときの第２画像からも同様に第３
画像を差し引き、重心演算することで重心を求めること
ができる（ステップＳ５）。
画像から第３画像の入力とその演算処理フローを示して
いる。第１画像から第３画像の入力後（ステップＳ１〜
Ｓ３）、まず、シャッタ１を開いたときの第１画像から
シャッタ１、シャッタ２とも閉じた第３画像を差し引
く。これにより背景画像は差し引かれ、レーザ光の半月
状の画像が得られる。こうすることで、一般的な重心を
求める画像処理アルゴリズムを適用することができ、レ
ーザ光の重心位置が求められる（ステップＳ４）。つぎ
にシャッタ２を開いたときの第２画像からも同様に第３
画像を差し引き、重心演算することで重心を求めること
ができる（ステップＳ５）。
【００４８】そして、つぎに第１画像の重心位置から第
２画像の重心位置を引き算することで、重心間画素数が
求められる（ステップＳ６）。さらに、ステップＳ７に
てこの重心間画素を、測定対象の高さに変換する。この
場合、最も簡単にはある比例定数を乗算すればよい。た
だし、この比例定数は対物レンズのＮＡ（開口数）、光
学系の倍率、ＩＴＶカメラの画素ピッチおよびシャッタ
の遮る光束の領域により決まる定数であり、測定対象物
９が、対物レンズ８の焦点深度内で遠近するときは、ほ
ぼ比例関係が保たれる。そして、得られた高さデータを
出力する（ステップＳ８）。
２画像の重心位置を引き算することで、重心間画素数が
求められる（ステップＳ６）。さらに、ステップＳ７に
てこの重心間画素を、測定対象の高さに変換する。この
場合、最も簡単にはある比例定数を乗算すればよい。た
だし、この比例定数は対物レンズのＮＡ（開口数）、光
学系の倍率、ＩＴＶカメラの画素ピッチおよびシャッタ
の遮る光束の領域により決まる定数であり、測定対象物
９が、対物レンズ８の焦点深度内で遠近するときは、ほ
ぼ比例関係が保たれる。そして、得られた高さデータを
出力する（ステップＳ８）。
【００４９】上記の測定フローは測定対象物９における
１ヶ所の高さを測定する。コンピュータ１６の制御によ
りステージ１０を駆動し、測定対象物９の指定された一
連の測定点を順次測定することも可能である。また、ス
テージ１０を細かい送りピッチでを送ってゆくことで、
測定対象の全面に亘って高さ測定することも可能であ
る。この測定結果はモニタ表示１７に表示され、外部に
接続された機器へ出力可能である。
１ヶ所の高さを測定する。コンピュータ１６の制御によ
りステージ１０を駆動し、測定対象物９の指定された一
連の測定点を順次測定することも可能である。また、ス
テージ１０を細かい送りピッチでを送ってゆくことで、
測定対象の全面に亘って高さ測定することも可能であ
る。この測定結果はモニタ表示１７に表示され、外部に
接続された機器へ出力可能である。
【００５０】また、図１の点線は前述したように、測定
対象物９が対物レンズ８へ近づいたときの例である。こ
れとは逆に対物レンズ８から遠ざかった場合には、得ら
れる画像は、シャッタ１を開いたときは図２（Ａ）で示
したものとは逆方向にレーザ光の輝点がずれる。シャッ
タ２を開いたときにも、やはり図２（Ｂ）で示したもの
とは逆方向にレーザ光の輝点がずれる。その結果、得ら
れる重心間画素数が、近づいた場合とは逆符号の値とな
り、高さ変換の演算結果も測定対象物９の遠近の違いに
より逆符号の測定結果が正しく得られる。
対象物９が対物レンズ８へ近づいたときの例である。こ
れとは逆に対物レンズ８から遠ざかった場合には、得ら
れる画像は、シャッタ１を開いたときは図２（Ａ）で示
したものとは逆方向にレーザ光の輝点がずれる。シャッ
タ２を開いたときにも、やはり図２（Ｂ）で示したもの
とは逆方向にレーザ光の輝点がずれる。その結果、得ら
れる重心間画素数が、近づいた場合とは逆符号の値とな
り、高さ変換の演算結果も測定対象物９の遠近の違いに
より逆符号の測定結果が正しく得られる。
【００５１】このように本発明により、同期したシャッ
タ開閉と画像入力により、測定対象物の遠近による重心
の演算が容易となり、背景画像の影響も除くことができ
る。また、２つの画像により求めた重心間距離を使って
高さを算出するため、光軸ずれ等の影響を受け難く、測
定器の調整も極めて容易になる。
タ開閉と画像入力により、測定対象物の遠近による重心
の演算が容易となり、背景画像の影響も除くことができ
る。また、２つの画像により求めた重心間距離を使って
高さを算出するため、光軸ずれ等の影響を受け難く、測
定器の調整も極めて容易になる。
【００５２】なお、上記実施形態において受光スポット
の重心位置をＣＣＤセンサ、あるいは２分割フォトダイ
オードで検出することもできる。
の重心位置をＣＣＤセンサ、あるいは２分割フォトダイ
オードで検出することもできる。
【００５３】つぎに、本発明の３次元形状測定方法およ
び装置における第２の実施形態を説明する。なお、第１
の実施形態と実質的に同一部材には同一符号を用いるも
のとする。
び装置における第２の実施形態を説明する。なお、第１
の実施形態と実質的に同一部材には同一符号を用いるも
のとする。
【００５４】図５は、第２の実施形態を示す図である。
レーザダイオード３から出るレーザ光を照明レンズ４で
平行光にする。２分割構成の液晶式シャッタ２１および
２２で平行光の光束の半分を遮って、残りの半分を通さ
せ、対物レンズ８で測定対象物９に照射する。測定対象
物９で反射した光は、ふたたび対物レンズ８を通り、ビ
ームスプリッタ６で反射され、結像レンズ１２により２
分割フォトダイオード２３の受光面２３ａおよび２３ｂ
へ集光される。
レーザダイオード３から出るレーザ光を照明レンズ４で
平行光にする。２分割構成の液晶式シャッタ２１および
２２で平行光の光束の半分を遮って、残りの半分を通さ
せ、対物レンズ８で測定対象物９に照射する。測定対象
物９で反射した光は、ふたたび対物レンズ８を通り、ビ
ームスプリッタ６で反射され、結像レンズ１２により２
分割フォトダイオード２３の受光面２３ａおよび２３ｂ
へ集光される。
【００５５】図５において、点線は測定対象物９が対物
レンズ８へ近づいたときの光路を示している。また、図
５は液晶シャッタ２１が透過性で、液晶シャッタ２２が
非透過性の例である。これを制御回路１５からの同期ク
ロックに同期させて、液晶駆動回路２５が交互に透過性
と非透過性を切り換えるようになっている。
レンズ８へ近づいたときの光路を示している。また、図
５は液晶シャッタ２１が透過性で、液晶シャッタ２２が
非透過性の例である。これを制御回路１５からの同期ク
ロックに同期させて、液晶駆動回路２５が交互に透過性
と非透過性を切り換えるようになっている。
【００５６】ここで２分割フォトダイオード２３は、第
１の実施形態における画像入力手段と重心演算の簡素化
したものとみなすことができる。液晶シャッタ２１，２
２を交互に切り換えたときの２分割フォトダイオード２
３の出力は、図６のようになる。測定対象物９が対物レ
ンズ８に近づいた場合、レーザ光は図５の構成において
２分割フォトダイオード２３ａ側へずれる。その結果、
図６の透過１０１と表したタイミングで示すように、２
分割フォトダイオードの２３ａ側の出力が大きくなり、
２３ｂ側の出力が小さくなる。
１の実施形態における画像入力手段と重心演算の簡素化
したものとみなすことができる。液晶シャッタ２１，２
２を交互に切り換えたときの２分割フォトダイオード２
３の出力は、図６のようになる。測定対象物９が対物レ
ンズ８に近づいた場合、レーザ光は図５の構成において
２分割フォトダイオード２３ａ側へずれる。その結果、
図６の透過１０１と表したタイミングで示すように、２
分割フォトダイオードの２３ａ側の出力が大きくなり、
２３ｂ側の出力が小さくなる。
【００５７】これが、同期クロックに従って、液晶シャ
ッタ２２側が透過性になった場合、逆に２分割フォトダ
イオードの２３ｂ側へレーザ光がずれる。その結果、２
分割フォトダイオード２３ａ側の出力が小さく、フォト
ダイオード２３ｂ側の出力が大きくなる。この２つの信
号を差動入力型の同期検波回路２６へ入力し、同期クロ
ックで同期検波すると、図６の同期検波出力に示すよう
な出力が得られる。これを平滑化し、Ａ／Ｄ変換（アナ
ログ・デジタル変換）する。このデジタルデータをコン
ピュータ１６がメモリへ記録する。
ッタ２２側が透過性になった場合、逆に２分割フォトダ
イオードの２３ｂ側へレーザ光がずれる。その結果、２
分割フォトダイオード２３ａ側の出力が小さく、フォト
ダイオード２３ｂ側の出力が大きくなる。この２つの信
号を差動入力型の同期検波回路２６へ入力し、同期クロ
ックで同期検波すると、図６の同期検波出力に示すよう
な出力が得られる。これを平滑化し、Ａ／Ｄ変換（アナ
ログ・デジタル変換）する。このデジタルデータをコン
ピュータ１６がメモリへ記録する。
【００５８】コンピュータ１６はこのデジタルデータを
高さ測定値に変換し、モニタ１７に表示するとともに、
外部に接続された機器へ出力する。
高さ測定値に変換し、モニタ１７に表示するとともに、
外部に接続された機器へ出力する。
【００５９】上記のようにシャッタ２１および２２を切
り換える同期クロックで２分割フォトダイオード２３の
出力を同期検波することで、光軸ずれによる誤差を除く
ことができる。それは、たとえば光軸が２分割フォトダ
イオード２３ａ側へ僅かにずれたときの例を、図６の点
線で示す。２分割フォトダイオード２３ａ側の出力は大
きくなる。一方、フォトダイオード２３ｂ側の出力は小
さくなる。
り換える同期クロックで２分割フォトダイオード２３の
出力を同期検波することで、光軸ずれによる誤差を除く
ことができる。それは、たとえば光軸が２分割フォトダ
イオード２３ａ側へ僅かにずれたときの例を、図６の点
線で示す。２分割フォトダイオード２３ａ側の出力は大
きくなる。一方、フォトダイオード２３ｂ側の出力は小
さくなる。
【００６０】この場合、同期クロックにおける透過１０
１のタイミングでの同期検波出力は大きくなるものの、
透過１０２のタイミングでの同期検波出力は小さくな
る。その結果、検波出力を平滑化した後では、それらが
相殺されるため、結果として得られる出力信号には変化
がない。このように光軸ずれが相殺されるだけでなく、
同期検波することによる外部からのノイズ、たとえばハ
ム雑音や温度ドリフトなどの効果も加わり、高感度化を
図ることができる。
１のタイミングでの同期検波出力は大きくなるものの、
透過１０２のタイミングでの同期検波出力は小さくな
る。その結果、検波出力を平滑化した後では、それらが
相殺されるため、結果として得られる出力信号には変化
がない。このように光軸ずれが相殺されるだけでなく、
同期検波することによる外部からのノイズ、たとえばハ
ム雑音や温度ドリフトなどの効果も加わり、高感度化を
図ることができる。
【００６１】なお、上記実施形態において光電変換手段
として２分割フォトダイオードの他に４分割フォトダイ
オードを用いることもできる。
として２分割フォトダイオードの他に４分割フォトダイ
オードを用いることもできる。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
軸ずれによる高さ測定誤差を除くことができる。これに
より経時変化や機械的振動に強い測定器を実現すること
ができる。また、同期した信号入力により、外部からの
ノイズを減らすことができ、有効に高感度化を図ること
ができる等の利点を有している。
軸ずれによる高さ測定誤差を除くことができる。これに
より経時変化や機械的振動に強い測定器を実現すること
ができる。また、同期した信号入力により、外部からの
ノイズを減らすことができ、有効に高感度化を図ること
ができる等の利点を有している。
【図１】本発明の第１の実施形態における構成例を示す
図である。
図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における照明光の透過
部位による撮像光の変化の様子を説明するための図であ
る。
部位による撮像光の変化の様子を説明するための図であ
る。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるシャッタの開
閉位相と画像取込タイミングの関係を示す図である。
閉位相と画像取込タイミングの関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における高さ測定処理
のフローチャートである。
のフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態における構成例を示す
図である。
図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における信号処理を説
明するための図である。
明するための図である。
【図７】従来例を示す図である。
１，２ シャッタ ３ レーザダイオード ４ 照明レンズ ５ シャッタ開閉回路 ６ ビームスプリッタ ８ 対物レンズ ９ 測定対象物 １０ ステージ １１ 照明光源 １２ 結像レンズ １３ ＩＴＶカメラ １４ 画像入力回路 １５ 制御回路 １６ コンピュータ １７ モニタ表示
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA17 AA24 AA54 BB05 DD03 DD04 FF05 FF09 FF24 GG06 GG12 HH03 HH13 JJ03 JJ09 JJ19 JJ26 LL12 LL30 MM02 NN08 QQ03 QQ13 QQ24 QQ34 SS02 2F112 AA09 AB03 BA06 BA07 CA12 DA02 DA25 DA40 FA03 FA07 FA21 FA33 FA45
Claims (25)
- 【請求項１】 測定対象物に光を照射してその３次元形
状を測定するようにした３次元形状測定方法であって、 光を測定対象物に照射する工程と、 測定対象物に照射されるべき光を変調する工程と、 測定対象物からの反射光を受光して、電気的画像信号に
変換する工程と、 照射光を変調する位相と変換された画像信号とを対応づ
けするように同期化する工程と、 対応づけされた画像情報を測定対象物の高さデータに変
換する工程と、を備えたことを特徴とする３次元形状測
定方法。 - 【請求項２】 照射光の異なる光束領域を部分的に遮光
することにより、照射光を変調することを特徴とする請
求項１に記載の３次元形状測定方法。 - 【請求項３】 第１の変調した照射光から得た画像を入
力する工程と、 第２の変調した照射光から得た画像を入力する工程と、 第３の変調した照射光から得た画像を入力する工程と、 第１の画像と第３の画像を減算演算して、第１の重心位
置を求める工程と、 第２の画像と第３の画像を減算演算して、第２の重心位
置を求める工程と、 第１の重心位置と第２の重心位置を減算演算して、重心
間画素数を求める工程と、 重心間画素数を測定対象物の高さデータに変換する工程
と、をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の
３次元形状測定方法。 - 【請求項４】 測定対象物の複数の高さデータを計算し
て、その測定対象物の形状の測定を行うことを特徴とす
る請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元形状測定
方法。 - 【請求項５】 測定対象物に光を照射してその３次元形
状を測定するようにした３次元形状測定装置であって、 光を測定対象物に照射する照射手段と、 測定対象物に照射されるべき光を変調する変調手段と、 測定対象物からの反射光を受光して、電気的画像信号に
変換する光電変換手段と、 照射光を変調する位相と変換された画像信号とを対応づ
けするように同期化する制御手段と、 対応づけされた画像情報を測定対象物の高さデータに変
換する演算手段と、を備えたことを特徴とする３次元形
状測定装置。 - 【請求項６】 変調手段は、照射光の光束を通過させる
部分を変化させ得る位置に配置されることを特徴とする
請求項５に記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項７】 変調手段は、照射光の半分ずつを遮光す
る位置に配置されることを特徴とする請求項５に記載の
３次元形状測定装置。 - 【請求項８】 変調手段は、機械的動作のシャッタであ
ることを特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定装
置。 - 【請求項９】 変調手段は、液晶シャッタであることを
特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項１０】 変調手段は、回転する穴明き円盤であ
ることを特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定装
置。 - 【請求項１１】 変調手段は、複数のスリット状の開口
を持つことを特徴とする請求項５に記載の３次元形状測
定装置。 - 【請求項１２】 光電変換手段は、テレビカメラである
ことを特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定装
置。 - 【請求項１３】 光電変換手段は、２分割フォトダイオ
ードであることを特徴とする請求項５に記載の３次元形
状測定装置。 - 【請求項１４】 光電変換手段は、４分割フォトダイオ
ードであることを特徴とする請求項５に記載の３次元形
状測定装置。 - 【請求項１５】 制御手段は、照射光の変調と画像入力
のタイミングの基準となるクロックを発生させることを
特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項１６】 制御手段は、照射光の変調の位相情報
を出力することを特徴とする請求項５に記載の３次元形
状測定方法。 - 【請求項１７】 制御手段は、同期検波方式で照射光を
変調する位相と変換された画像信号とを対応づけするこ
とを特徴とする請求項５に記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項１８】 演算手段は、照射光を変調するための
複数の位相タイミングにおける入力信号に基づき、高さ
データを計算することを特徴とする請求項５に記載の３
次元形状測定装置。 - 【請求項１９】 演算手段は、照射光を変調するための
複数の位相タイミングにおける受光スポットの重心位置
の差に基づき、高さデータを計算することを特徴とする
請求項５に記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項２０】 受光スポットの重心位置をＣＣＤセン
サで検出することを特徴とする請求項１９に記載の３次
元形状測定装置。 - 【請求項２１】 受光スポットの重心位置を２分割フォ
トダイオードで検出することを特徴とする請求項１９に
記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項２２】 受光スポットの重心位置をテレビカメ
ラで検出することを特徴とする請求項１９に記載の３次
元形状測定装置。 - 【請求項２３】 測定対象物の複数の高さデータを計算
して、その測定対象物の形状の測定を行うことを特徴と
する請求項１９に記載の３次元形状測定装置。 - 【請求項２４】 測定対象物が、インクジェットプリン
タカートリッジ、複写機カートリッジ、レーザプリンタ
カートリッジまたは液晶表示器であることを特徴とする
請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元形状測定方
法。 - 【請求項２５】 測定対象物が、インクジェットプリン
タカートリッジ、複写機カートリッジ、レーザプリンタ
カートリッジまたは液晶表示器であることを特徴とする
請求項５〜２３のいずれか１項に記載の３次元形状測定
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28462199A JP2001108418A (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | ３次元形状測定方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28462199A JP2001108418A (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | ３次元形状測定方法および装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001108418A true JP2001108418A (ja) | 2001-04-20 |
Family
ID=17680842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28462199A Pending JP2001108418A (ja) | 1999-10-05 | 1999-10-05 | ３次元形状測定方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001108418A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001073375A1 (fr) * | 2000-03-31 | 2001-10-04 | Omron Corporation | Capteur de deplacement |
| US7256897B2 (en) | 2003-01-30 | 2007-08-14 | Sony Corporation | Three-dimensional measurement apparatus and three-dimensional measurement method |
| US9232163B2 (en) | 2012-12-27 | 2016-01-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Depth pixel of three-dimensional image sensor and three-dimensional image sensor including the same |
| JP2018084504A (ja) * | 2016-11-24 | 2018-05-31 | 株式会社新川 | ボンディング装置およびボンディング対象物の高さ検出方法 |
-
1999
- 1999-10-05 JP JP28462199A patent/JP2001108418A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| TWI655406B (zh) * | 2016-11-24 | 2019-04-01 | 日商新川股份有限公司 | 接合裝置以及被攝體的高度檢測方法 |
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| KR102255607B1 (ko) * | 2016-11-24 | 2021-05-25 | 가부시키가이샤 신가와 | 본딩 장치 및 본딩 대상물의 높이 검출 방법 |
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