JP2002139311A - 光ビーム照射測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象物までの距離又は対象物の表面の３次元
形状を測定する光ビーム照射測定装置において、測定精
度を良好にする。 【解決手段】 光ビーム放射器１０は、対象物ＯＢの表
面に光ビームを放射して、対象物ＯＢの表面に照射スポ
ットを形成する。この照射スポットからの反射光は、結
像レンズ３１を介してラインセンサ３２によって受光さ
れる。コントローラ４０は、ラインセンサ３２による反
射光の受光位置に基づいて、対象物ＯＢの表面までの距
離及び対象物ＯＢの表面の３次元形状を測定する。フォ
トセンサ６１は、ラインセンサ３２によって反射された
反射光を受光する。フォトセンサ６１によって検出され
た反射光の受光量により、光ビーム放射器１０からの光
ビームの光量を補正して、ラインセンサ３２による反射
光の光量が常に一定に保たれるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ビーム放射器か
ら対象物に光ビームを放射して同対象物の表面に照射ス
ポットを形成するとともに、同対象物からの反射光を受
光して、光ビーム放射器から対象物の表面の照射スポッ
トまでの距離又は対象物の表面の３次元形状を測定する
光ビーム照射測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置は、例えば特開平１
０−３８５１１号公報に示されているように、異なる対
象物の表面の反射率の違い、同一の対象物であっても位
置の違いなどによる反射率の違いにより、反射光の光量
が変化して測定精度が悪くなることを防止するために、
次のような対策を採用していた。第１の対策は、前記距
離又は３次元形状の測定のための受光器に導かれる反射
光の一部をビームスプリッタにより取り出すとともに、
受光量を検出するためのフォトセンサに導いて、フォト
センサによって検出された受光量によって光ビーム放射
器から対象物に放射される光ビームの光量を補正するも
のである。また、第２の対策は、前記距離又は３次元形
状の測定のための受光器にて受光された反射光を用い
て、前記距離又は３次元形状の測定とは別に反射光の光
量を導出して、この導出した光量によって光ビーム放射
器から対象物に放射される光ビームの光量を補正するも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の第
１の対策にあっては、前記距離又は３次元形状を測定す
るための受光器にて受光する反射光の光量が減少するの
で、距離又は３次元形状の測定の精度が悪化するという
問題があった。また、ビームスプリッタはある程度の大
きさを必要とするとともに安価ではないので、装置全体
が大きくなったり、製造コストが高くなるという問題も
あった。また、第２の対策にあっては、前記距離又は３
次元形状を測定するための受光器は、通常独立した複数
の受光素子で構成されているので、これらの各受光素子
から検出信号を取り出すのにある程度の時間を必要と
し、また取り出した検出信号から反射光の光量を導出す
るための時間も必要とするので、リアルタイムで光ビー
ム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を補正
することができないという問題がある。

【０００４】

【発明の概要】本発明は、上記問題に対処するためにな
されたもので、その目的は、安価かつ装置全体を大きく
することなく、光ビーム放射器から対象物に放射される
光ビームの光量をリアルタイムで補正して、距離又は３
次元形状の測定精度を良好にした光ビーム照射測定装置
を提供することにある。

【０００５】本発明者らは、前記目的を達成するための
種々の試みを行っている間に、距離又は３次元形状の測
定のために対象物からの反射光を受光する受光器におい
ても、一部の光が反射していることを発見した。そし
て、この受光器からの反射光に着目し、同受光器からの
反射光の光量を検出して、光ビーム放射器から対象物に
放射される光ビームの光量を前記検出光量を用いて補正
することを考えた。

【０００６】この考えを用いて構成した本発明は、対象
物に向けて光ビームを放射して同対象物の表面に照射ス
ポットを形成する光ビーム放射器と、対象物の表面から
の反射光を光ビーム放射器から対象物の表面の照射スポ
ットまでの距離に応じた位置にて受光する受光器とを備
え、受光器にて受光した反射光の位置に応じて光ビーム
放射器から対象物の表面の照射スポットまでの距離又は
対象物の表面の３次元形状を測定する光ビーム照射測定
装置において、受光器の受光面から反射する反射光を受
光して同反射光の受光量を検出するフォトセンサと、フ
ォトセンサによって検出された受光量に応じて光ビーム
放射器から対象物に放射される光ビームの光量を補正す
る光量補正手段とを設けたことを特徴としている。

【０００７】この場合、例えば、前記受光器を複数の受
光素子を一列に配列させたラインセンサにより構成し、
かつ前記フォトセンサを前記ラインセンサを構成する複
数の受光素子の配列方向に対応させて長尺状に形成する
とよい。

【０００８】これによれば、比較的大きくかつコストの
高いビームスプリッタを用いる必要もなく、またビーム
スプリッタのように反射光を分けることをしていないの
で、受光器にて受光される反射光の光量が減少すること
もなく、距離又は３次元形状の測定の精度が良好になる
とともに、装置全体をコンパクトかつ安価に製造でき
る。また、受光器からの反射光の光量はフォトセンサに
より簡単かつ迅速に取り出すことが可能であるので、光
ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を
リアルタイムで補正することもできる。

【０００９】

【実施の形態】以下、本発明の一実施形態について図面
を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る光ビーム
照射測定装置の概略図である。

【００１０】この光ビーム照射測定装置は、レーザ光源
１１、集光レンズ１２、光量制御回路１３などからなる
光ビーム放射器１０を備えている。レーザ光源１１は、
半導体レーザなどで構成されており、レーザ光を集光レ
ンズ１２に向けて放射する。集光レンズ１２は、対象物
ＯＢの表面に小さな照射スポットを形成するために、レ
ーザ光源１１から放射されたレーザ光を集光する。光量
制御回路１３は、レーザ光源１１を制御して、同レーザ
光源１１から放射されるレーザ光の光量を制御する。

【００１１】集光レンズ１２によって集光されたレーザ
光の進路には、対象物ＯＢの表面における照射スポット
の位置を変更して対象物ＯＢの表面を同照射スポットで
走査するための走査用光学系２０が設けられている。走
査用光学系２０は、レーザ光を反射する複数のミラー、
複数のミラーのうちのいずれかを回動させる電動モー
タ、同電動モータの回転角を検出する回転角センサなど
を備えている。そして、回転角センサによる検出信号は
後述するコントローラ４０に供給され、電動モータが前
記検出信号を用いてコントローラ４０によって回転制御
されて、ミラーの回動によりレーザ光の反射方向が変更
されて、照射スポットが対象物ＯＢの表面を２次元的
（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に走査するようになってい
る。

【００１２】また、この光ビーム照射測定装置は、結像
レンズ３１及びラインセンサ（受光器）３２も備えてい
る。結像レンズ３１は、対象物ＯＢからの反射光をライ
ンセンサ３２上に結像する。ラインセンサ３２は、ＣＣ
Ｄなどの複数の受光素子を一列に配置して長尺状に構成
されており、レーザ光源１１から走査用光学系２０を介
した対象物ＯＢの照射スポットまでの距離を、複数の受
光素子のうちで対象物ＯＢからの反射光を受光した受光
素子の位置により検出するものである。具体的には、図
２に示すように、前記距離が長い場合（図示、対象物Ｏ
Ｂの実線参照）には、ラインセンサ３２の図示上部に位
置する受光素子が反射光を受光する。また、前記距離が
短い場合（図示、対象物の２点鎖線参照）には、ライン
センサ３２の図示下部に位置する受光素子が反射光を受
光する。

【００１３】また、結像レンズ３１の光軸Ｌ１は、ライ
ンセンサ３２の中央を通過するように設定しておくとよ
い。また、レーザ光源１１からのレーザ光の対象物ＯＢ
表面における反射位置がレーザ光源１１に近くなるにし
たがって反射光の焦点位置は結像レンズ３１から遠くな
るので、ラインセンサ３２の受光面の延設方向（すなわ
ち長尺方向）は、光軸Ｌ１に対して９０度から所定角度
だけ傾けて設定されている。装置自体の構造により、光
軸Ｌ１とラインセンサ３２の受光面の延設方向との間の
図示角度θは、４２．５度〜６０．０度の間に決められ
た角度に設定される。また、この傾斜により、ラインセ
ンサ３２による反射光の反射方向と、結像レンズ３１か
らラインセンサ３２に入射する対象物からの反射光の方
向とが重ならず、ラインセンサ３２による反射光を後述
するフォトセンサ６１に導き易くなる。

【００１４】このラインセンサ３２にはセンサ信号取出
し回路３３が接続されている。センサ信号取出し回路３
３は、ラインセンサ３２の各受光素子から反射光の受光
量を表す信号を順次取出してコントローラ４０に供給す
る。

【００１５】コントローラ４０は、前述のように、回転
角センサによる検出信号を入力して電動モータを回転さ
せることによりミラーを回動させて、対象物ＯＢの表面
を照射スポットで２次元的（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に
走査する機能を有する。また、コントローラ４０は、自
動的又は手動操作により設定されてレーザ光源１１から
放射されるレーザ光の光量を表す光量指令信号を光量制
御回路１３に出力する機能、及びセンサ信号取出し回路
３３からの出力信号を入力してレーザ光源１１から対象
物ＯＢの表面までの距離を測定するとともに同距離に基
づいて対象物ＯＢの表面の３次元形状を測定する機能を
有する。なお、これらの距離及び３次元形状の測定演算
は、ラインセンサ３２にて反射光を受光した受光素子の
位置、すなわちラインセンサ３２における反射光の受光
位置に基づいて、３角測量法の原理を用いて行われる。
また、このコントローラ４０は、通常マイクロコンピュ
ータなどで構成されてプログラム制御されるが、ハード
回路で構成するようにしてもよい。

【００１６】コントローラ４０と光量制御回路１３との
間には、光量指令補正回路５０が接続されている。光量
指令補正回路５０は、コントローラ４０からの光量指令
信号を後述する補正信号発生回路６２からの補正信号に
応じて補正して、同補正された光量指令信号を光量制御
回路１３に供給する。

【００１７】また、この光ビーム照射測定装置は、ライ
ンセンサ３２から反射される反射光を受光して同受光し
た反射光の受光量を検出するためのフォトセンサ６１を
備えている。フォトセンサ６１は、図１〜３に示すよう
に、長尺の直方体状に形成した基板６１ａ上に、長尺状
の方形に形成されてフォトダイオード、フォトトランジ
スタ、フォト抵抗などのいずれかからなる光学センサ素
子６１ｂを固着させたものである。この光学センサ素子
６１ｂは、ラインセンサ３２の受光面に対向して、同ラ
インセンサ３２を構成する全ての受光素子からの反射光
を受光できるように構成され、前記長尺方向はラインセ
ンサ３２を構成する複数の受光素子の配列方向に対応し
ている。

【００１８】フォトセンサ６１には、補正信号発生回路
６２が接続されている。補正信号発生回路６２は、フォ
トセンサ６１によって検出されたラインセンサ３２によ
る反射光の受光量に応じた補正信号を光量指令補正回路
５０に出力する。すなわち、補正信号発生回路６２は、
前記反射光の受光量が所定の基準量よりも小さければ、
コントローラ４０からの光量指令信号を光量の増加を表
す方向に補正するための補正信号を光量指令補正回路５
０に出力する。前記反射光の受光量が所定の基準量より
も大きければ、コントローラ４０からの光量指令信号を
光量の減少を表す方向に補正するための補正信号を光量
指令補正回路５０に出力する。

【００１９】次に、上記のように構成した実施形態の動
作を説明する。コントローラ４０は、自動的又は手動操
作により設定されて、レーザ光源１１から放射されるレ
ーザ光の光量を表す光量指令信号を光量指令補正回路５
０を介して光量制御回路１３に出力する。これにより、
レーザ光源１１は、光量制御回路１３に制御されて、前
記光量指令信号に対応した光量のレーザ光を集光レンズ
１２に向けて放射する。集光レンズ１２は、前記レーザ
光源１１からのレーザ光を集光して走査用光学系２０と
の協働により対象物ＯＢの表面の所定位置に小さな照射
スポットを形成する。

【００２０】この対象物ＯＢの表面上の照射スポットの
形成により、同表面からレーザ光が反射され、この反射
光は結像レンズ３１によってラインセンサ３２上に結像
される。この結像は、ラインセンサ３２を構成する複数
の受光素子のうちの一つ若しくは少数の受光素子であっ
て、レーザ光源１１から前記照射スポットまでの距離に
対応した受光素子に対してなされる。そして、センサ信
号取出し回路３３によって、前記結像すなわち反射光を
受光した受光素子を表す信号がコントローラ４０に供給
される。コントローラ４０は、前記供給された信号に基
づいて、レーザ光源１１から対象物ＯＢの表面の照射ス
ポットまでの距離を３角測量法の原理を用いて計算す
る。

【００２１】一方、コントローラ４０は、走査用光学系
２０内の回転角センサによる検出信号を入力して、この
検出信号を用いて同光学系２０内の電動モータを回転さ
せることにより、同光学系２０内の一部のミラーを回動
させて、前記照射スポットを対象物ＯＢの表面上で２次
元的（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させて、同対象物
ＯＢの表面を順次走査する。そして、コントローラ４０
は、各照射スポット毎に、前述のようにして、レーザ光
源１１から対象物ＯＢの表面の照射スポットまでの各距
離を順次計算する。したがって、対象物ＯＢの表面の前
記走査完了後には、同対象物ＯＢの表面を２次元的に細
かく分割した各分割位置毎に、レーザ光源１１から対象
物ＯＢの前記各分割位置までの各距離が全て測定され
る。

【００２２】そして、最後に、コントローラ４０は、こ
れらの各分割位置の各測定距離を用いて、画像処理によ
って対象物ＯＢの表面の３次元画像を生成する。

【００２３】このような各分割位置の距離の測定中、ラ
インセンサ３２は、対象物ＯＢの表面からの反射光を受
光する一方、同反射光の一部を反射する。本発明者らに
よる実験により、この反射光の光量は、ラインセンサ３
２による受光量の１０％程度であることが分かってい
る。図３に、この反射光の受光部分を細かな点によって
示している。この反射光はフォトセンサ６１によって受
光され、同センサ６１は前記受光した反射光の受光量を
表す検出信号を補正信号発生回路６２に出力する。

【００２４】補正信号発生回路６２は、前記反射光の受
光量が所定の基準量よりも小さければ、コントローラ４
０からの光量指令信号を光量の増加を表す方向に補正す
るための補正信号を光量指令補正回路５０に出力する。
したがって、この場合、光量指令補正回路５０は、コン
トローラ４０からの光量指令信号を光量の増加を表す方
向に補正して光量制御回路１３に出力する。一方、前記
反射光の受光量が所定の基準量よりも大きければ、コン
トローラ４０からの光量指令信号を光量の減少を表す方
向に補正するための補正信号を光量指令補正回路５０に
出力する。したがって、この場合には、光量指令補正回
路５０は、コントローラ４０からの光量指令信号を光量
の減少を表す方向に補正して光量制御回路１３に出力す
る。

【００２５】このようなフィードバック制御により、光
量制御回路１３は、フォトセンサ６１によって受光され
る反射光の受光量が所定の基準量になるように、レーザ
光源１１から放射されるレーザ光の光量を補正制御す
る。なお、フォトセンサ６１によって受光されるライン
センサ３２からの反射光の受光量は、ラインセンサ３２
によって受光される対象物ＯＢの表面からの反射光の受
光量に対応しているので、前記フォトセンサ６１による
受光量に応じた前記レーザ光の光量の補正は、ラインセ
ンサ３２による受光量に応じた前記レーザ光の光量の補
正と等価である。

【００２６】その結果、対象物ＯＢの表面にて反射さ
れ、ラインセンサ３２にて受光される反射光の光量が常
にほぼ一定の適正量に保たれる。しかも、フォトセンサ
６１で検出される光は、ラインセンサ３２による反射光
であって、ラインセンサ３２にて受光される反射光の光
量が減少することもないので、レーザ光源１１によるレ
ーザ光の放射量をそれほど大きくしなくても、ラインセ
ンサ３２は充分な光量の反射光を受光する。したがっ
て、レーザ光源１１として大出力のものを用いなくて
も、距離又は３次元形状の測定の精度が良好になる。

【００２７】また、ラインセンサ３２からの反射光の光
量はフォトセンサ６１により簡単かつ迅速に取り出すこ
とが可能であるので、レーザ光源１１から対象物ＯＢに
放射されるレーザ光の光量をリアルタイムで補正するこ
ともできる。また、フォトセンサ６１は、比較的小さく
かつ安価であるので、本測定装置があまり大きくなるこ
ともなくかつ安価になる。

【００２８】さらに、フォトセンサ６１すなわち光学セ
ンサ素子６１ｂは、ラインセンサ３２を構成する全ての
受光素子からの反射光を受光できるように、同受光素子
の配列方向に沿って長尺上に構成されている。したがっ
て、ラインセンサ３２による反射光を良好に受光でき
て、レーザ光源１１によって放射されるレーザ光の光量
の制御も高精度で行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る光ビーム照射測定
装置の全体概略図である。

【図２】 図１の結像レンズ、ラインセンサ及びフォト
センサ部の拡大概略図である。

【図３】 図１，２のフォトセンサの拡大平面図であ
る。

【符号の説明】

１０…光ビーム放射器、１１…レーザ光源、１２…集光
レンズ、１３…光量制御回路、２０…走査用光学系、３
１…結像レンズ、３２…ラインセンサ（受光器）、３３
…センサ信号取出し回路、４０…コントローラ、５０…
光量指令補正回路、６１…フォトセンサ、６２…補正信
号発生回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 BB05 EE03 FF09 FF66 GG04 GG06 HH04 JJ01 JJ16 JJ25 LL04 LL13 LL62 MM26 NN02 NN16 2F112 AA06 BA01 CA08 CA12 EA09 FA03 FA21 FA25 FA45 5J084 AA05 AA13 AB17 AD07 BA04 BA36 BA39 BA50 BB02 BB21 DA01 EA04 EA19 FA03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物に向けて光ビームを放射して同対象
   物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射器と、
   前記対象物の表面からの反射光を前記光ビーム放射器か
   ら前記対象物の表面の照射スポットまでの距離に応じた
   位置にて受光する受光器とを備え、前記受光器にて受光
   した反射光の位置に応じて前記光ビーム放射器から前記
   対象物の表面の照射スポットまでの距離又は前記対象物
   の表面の３次元形状を測定する光ビーム照射測定装置に
   おいて、 前記受光器の受光面から反射する反射光を受光して同受
   光した反射光の受光量を検出するフォトセンサと、 前記フォトセンサによって検出された受光量に応じて前
   記光ビーム放射器から前記対象物に放射される光ビーム
   の光量を補正する光量補正手段とを設けたことを特徴と
   する光ビーム照射測定装置。
2. 【請求項２】前記請求項１に記載した光ビーム照射測定
   装置において、前記受光器を複数の受光素子を一列に配
   列させたラインセンサにより構成し、かつ前記フォトセ
   ンサを前記ラインセンサを構成する複数の受光素子の配
   列方向に対応させて長尺状に形成したことを特徴とする
   光ビーム照射測定装置。