JP2003148927A

JP2003148927A - 三次元形状検査装置

Info

Publication number: JP2003148927A
Application number: JP2001348023A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Kawamura; 晋一郎川村; Shogo Nagasaka; 昭吾長坂
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2003-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】白色光を波長選択ミラーを用いて分光し、分
光して得た光を波長毎に異なる照射角度から物体に投光
して照物体の立体形状を検知する、三次元形状検査装置
を提供する。【解決手段】白色光を、青色波長帯域の光のみ反射し
青色以外の波長帯域の光を透過するダイクロイックミラ
ー１４ａと、緑色波長帯域の光のみ反射し緑色以外の波
長帯域の光を透過するダイクロイックミラー１４ｂに照
射して青色光、緑色光、赤色光に分光し、光ファイバー
束１５ａ,１５ｂ,１５ｃに導光する。光ファイバ束１５
ａ,１５ｂ,１５ｃを構成する個々の光ファイバーはファ
イバーガイド２０内で並べ換えられているため、ファイ
バーガイド２０から出射される光は、波長帯域毎に半径
の異なる同心円状の光になっている。この光を対物レン
ズ２５を用いて検査対象物２６に照射し、カラーＣＣＤ
カメラ２８で得られた画像を、処理装置２９で処理して
検査対象物の形状を判断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状物の表
面形状を観察する三次元形状検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、立体構造物の表面形状を観察
する装置として、アクティブセンシング法を利用した三
次元形状検知装置が知られており、例えば、基板上に実
装された部品の半田付けの良・不良を検査するためなど
に利用されている。

【０００３】図１は従来例によるアクティブセンシング
法を利用した三次元形状検査装置１の概略図である。こ
の三次元形状検査装置１は、３個のリング状発光体２
ａ,２ｂ,２ｃと、カラーＣＣＤカメラ３、および、検査
対象物４を置くための水平な検査台５から構成されてい
る。リング状発光体２ａ,２ｂ,２ｃは、それぞれ異なる
波長の光（例えば、赤色光，緑色光，青色光）を発し、
半径の大きなものから順に、検査台５からｈ３，ｈ２，
ｈ１（ただし、ｈ３＞ｈ２＞ｈ１）の高さに設置されて
いる。また、検査対象物４と各リング状発光体２ａ,２
ｂ,２ｃおよび、カラーＣＣＤカメラ３は同一の中心軸
６上に配置され、カラーＣＣＤカメラ３はすべてのリン
グ状発光体２ａ,２ｂ,２ｃの上方に設置されている。

【０００４】リング状発光体２ａからは、照射角２ｉ±
Δｉで赤色光が、リング状発光体２ｂからは照射角２ｊ
±Δｊで緑色光が、リング状発光体２ｃからは照射角２
ｋ±Δｋで青色光が、それぞれ中心軸６を中心とする全
方向から検査対象物４に向けて投光される。ここで照射
角とは、各リング状発光体２ａ,２ｂ,２ｃから出射され
た光と、中心軸６がなす角度をいうとする。図１に示す
ように、リング状発光体２ａ,２ｂ,２ｃから投光された
光が、検査対象物４の表面の特定の傾きを有する面で反
射した場合に、その反射光がカラーＣＣＤカメラ３に入
射する。したがって、リング状発光体２ａ,２ｂ,２ｃか
ら光の照射を受けた検査対象物４をカラーＣＣＤカメラ
３から見ると、それぞれの照射角に応じた特定の傾きを
有する面が着色されて見えることになる。

【０００５】ここで、着色して見える面が、検査対象物
表面のどのような面であるかを、図２を用いて説明す
る。図２は、図１に示すリング状発光体２ａの一断面か
ら検査対象物４に向けて投光した光が、検査対象物４の
表面の点８で反射して、カラーＣＣＤカメラ３に入射す
る様子を示している。ただし、図２では反射の様子を理
解しやすくするために、図１の検査対象物４をリング状
発光体２ａやカラーＣＣＤカメラ３よりも大きく描いて
いる。リング状発光体２ａの一断面から、赤色光を照射
角２ｉ±Δｉで検査対象物４に向けて投光したとき、こ
の幅に対応する幅の反射光が検査対象物４表面で反射さ
れる。このとき、光の入射角ｉと反射角ｉ’が等しくな
るという光の反射の法則から、照射角を２等分する線が
法線１０となるような傾きを持つ面９で反射された光
が、図２に示すようにカラーＣＣＤカメラ３に入射す
る。したがって、カラーＣＣＤカメラ３から検査対象物
４を見ると、面９と同じ傾きを持つ面だけが赤く着色さ
れて見える。また、別の言い方をすれば、水平な基準面
７からの傾きがｉの面（以下、傾斜角ｉの面という）が
赤く着色されて見えるともいえる。

【０００６】同様に、リング状発光体２ｂから照射角２
ｊで緑色光を投光し、カラーＣＣＤカメラ３から検査対
象物４を見ると、傾斜角ｊの面が緑色に着色されて見
え、また、リング状発光体２ｃから照射角２ｋで青色光
を投光し、カラーＣＣＤカメラ３から検査対象物４を見
ると、傾斜角ｋの面が青色に着色されて見える。

【０００７】このように、異なる波長の光を照射角度を
変えて検査対象物４に投光したとき、カラーＣＣＤカメ
ラ３から見た検査対象物４は、表面の形状に応じて異な
る色彩で着色して見えるため、これらの画像の着色パタ
ーンを解析すれば、検査対象物表面の凹凸状態を判断す
ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような三次元形
状認識装置を用いれば、物体の立体形状を判断すること
ができるが、従来の三次元形状検査装置ではリング状発
光体ごとに個別の光源を使用していたため、装置が大型
化し、消費エネルギーが多量であった。また、個々の発
光体ごとに経年的ないしは経時的な劣化が起こって輝度
のばらつきが生じると、同じ傾斜角であっても色づき具
合が変化するため、光源毎に定期的な調整をしなければ
ならなかった。また、各リング状発光体から発光される
光の波長が重なり合う様な場合には、コントラストの利
いた鮮明な色彩の画像が得られず、形状認識精度が低下
するという問題もあった。

【０００９】

【発明の開示】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされ
ており、その目的とするところは、白色光を波長選択ミ
ラーを用いて分光し、分光して得た光を波長毎に異なる
照射角度から物体に投光して物体の立体形状を検知す
る、三次元形状検査装置を提供することにある。

【００１０】本発明にかかる三次元形状検査装置は、波
長の異なる光を照射角度を変えて対象物に照射し、対象
物の三次元形状を検知する三次元形状検査装置におい
て、白色光源と、白色光を波長選択ミラーを用いて分光
する分光手段と、分光された各波長域の光の光束断面を
同心円状に変換する光変換部と、前記光変換部からの出
射光を各波長域毎に異なる照射角で対象物に照射する光
照射部と、対象物からの反射光を波長毎に認識する撮像
素子とを備えていることを特徴としている。

【００１１】この三次元形状検査装置にあっては、白色
光源から出射された光は、分光手段の波長選択ミラーで
透過または反射することによって複数の波長域の光に分
光され、光変換部で同心円状の光束断面を有する光に変
換された後、光照射部から対象物に向けて各波長域毎に
異なる照射角で照射される。この結果、対象物表面で反
射されて撮像素子に入る光は、対象物表面の傾きが異な
ると、異なる波長域の光となる。よって、光照射部によ
って照明されている対象物の画像を各波長域毎に分解す
ることにより、あるいはその着色具合から対象物の表面
形状を判定することができる。

【００１２】本発明の三次元形状検査装置にあっては、
白色光を波長選択ミラーを用いて波長の異なる複数の光
に分光するため、光源には白色光源が最低一つあれば良
く、複数の光源を必要としないため、三次元形状検査装
置を小型化することができる。また、白色光を分光して
得られたそれぞれの光は、波長領域の重なりがなく単色
度が高いため、鮮明な色彩の画像が得られ、検査対象物
の形状認識精度が向上する。

【００１３】前記白色光を分光する分光手段には、例え
ば特定波長の光のみ反射し、他の波長の光を透過する波
長選択ミラーや、特定波長の光のみ透過し、他の波長の
光を反射する波長選択ミラーを用いればよい。波長選択
ミラーの好適例としては、ダイクロイックミラーが挙げ
られる。ダイクロイックミラーによれば、カラーフィル
タ等と比較して、分光された光の波長域の重なりを小さ
くできるので、三次元形状検査装置の検査精度を向上さ
せることができる。

【００１４】前記光変換部には、例えば、同一波長域の
光ファイバの光出射端を同心円状に再配列したものを用
いてもよい。また、前記光変換部は前記分光手段と一体
化させても良く、特定波長域の光のみ透過し、他の波長
域の光を反射する、円板状または環状の波長選択ミラー
を、透過する波長域毎に半径の異なる同心円状に配置
し、当該波長選択ミラーに白色光を照射して、反射した
光は再度ミラーで反射させて当該波長選択ミラーの異な
る箇所に入射させることにより、波長帯域毎に半径の異
なる同心円状の光を出射させるようにしてもよい。

【００１５】また、前記光照射部には、出射光を対象物
に向けて同軸落斜させるための同軸落斜光学系を用いて
もよい。ここで、同軸落斜光学系とは、対象物に照射さ
れる照明光の光軸と、対象物で反射して撮像素子に入射
する光の光軸とが一致するような光学系をいう。例えば
顕微鏡の対物レンズを用いて、前記光変換部から出射さ
れた波長帯域毎に半径の異なる同心円状の光を照射すれ
ば、対象物が微少である場合や、凹面内部も検査するこ
とができる。

【００１６】光を照射された対象物を撮影する撮像素子
にはカラーＣＣＤカメラを用いても良い。また、撮像素
子に入射した光を、波長選択ミラーを用いて波長帯域毎
に異なるモノクロＣＣＤに分配してもよい。

【００１７】本発明の別な実施形態による三次元形状検
査装置では、分光された光のエネルギーを、偏光手段を
用いて調節することを特徴としている。本実施形態によ
れば、特定の角度から特定の波長帯域を持つ光のみを検
査対象物に照射して、検査対象物の特定の面のみを観察
することもできるため、検査方法の選択肢が増え、検査
対象物の状態などに応じた検査を行うことができる。

【００１８】なお、この発明の以上説明した構成要素
は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図３は本発明
の一実施形態である三次元形状検査装置１１の投光部１
２付近の構造を示す断面図である。投光部１２はハロゲ
ンランプ等の白色光源１３と２枚のダイクロイックミラ
ー１４ａ,１４ｂ、３束の光ファイバー束１５ａ,１５
ｂ,１５ｃ、および出光口１７で構成されている。第一
ダイクロイックミラー１４ａは青色光のみを反射し，そ
れ以外の波長の光は透過するミラーであり、第二ダイク
ロイックミラー１４ｂは緑色光のみ反射して、それ以外
の光は透過するミラーである。白色光源１３から第一ダ
イクロイックミラー１４ａに向けて白色光を投光する
と、第一ダイクロイックミラー１４ａで、青色光１６ａ
と青色以外の光に分光される。第一ダイクロイックミラ
ー１４ａを透過した光は、第二ダイクロイックミラー１
４ｂで緑色光１６ｂと赤色光１６ｃに分光される。

【００２０】分光された青色光１６ａ，緑色光１６ｂ，
赤色光１６ｃは、それぞれ、複数のファイバーを束ねた
光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃの一端に入射す
る。このとき、分光された青色光１６ａ、緑色光１６
ｂ、赤色光１６ｃを各光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１
５ｃに効率よく結合させるためには、レンズ系を通して
各色の光を各光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃに集
光させるようにしてもよい。また、各光ファイバー束１
５ａ,１５ｂ,１５ｃに照射される光が、各光ファイバー
束１５ａ,１５ｂ,１５ｃを構成する各光ファイバーを均
等に照射するようにしておくことが望ましい。３束の光
ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃは出光口１７から、
投光部１２の外部にあるファイバー結束部１８に集めら
れる。ファイバー結束部１８では、各光ファイバー束１
５ａ,１５ｂ,１５ｃが1本づつの光ファイバー１９にば
らされて、円筒形のファイバーガイド２０の内部で並べ
替えて再配列される。図４に示すように、個々の光ファ
イバー１９は、中心部が赤色光を導光するための光ファ
イバー束１５ｃ、その外周部が緑色光を導光するための
光ファイバ束１５ｂ、さらにその外周部が青色光を導光
するための光ファイバ束１５ａとなるように再配列され
る。また、ファイバーガイド２０の内部では、隣り合う
光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃの異なる波長帯域
の光が混ざり合わないようにするために、波長の異なる
光を導光する光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃの間
にはアルミ箔などの仕切り２１が設けられている。

【００２１】図５は、図３に示す投光部１２などを含む
三次元形状検査装置１１の構造を示す断面図である。こ
の三次元形状検査装置１１の光照射部は顕微鏡と同様な
光学系（同軸落斜光学系）となっている。ファイバーガ
イド２０の末端から出射された同心円状の光は、コリメ
ートレンズ２２で平行光にされた後、ハーフミラー２３
で検査台２４の方向に照射方向が変えられ、対物レンズ
２５によって、検査対象物２６に向けて同軸落斜され
る。

【００２２】対物レンズ２５に入射した光は、図６に示
すように、対物レンズ２５の中心軸２７から半径方向の
どの位置に入射した光であるかによって、出射角度が変
わるため、レンズの中心軸２７と入射する同心円状の光
の中心を一致させておけば、光ファイバー束１５ｃから
出射された円形状の赤色光１６ｃは小さな照射角度で、
光ファイバー束１５ｂから出射された円環状の緑色光１
６ｂは赤色光よりも大きな照射角度で、光ファイバー束
１５ａから出射された円環状の青色光１６ａは緑色光１
６ｂよりもさらに大きな照射角度で、検査対象物２６を
照射することになる。

【００２３】図７は検査対象物２６が対物レンズ２５か
ら同軸落斜された光で照射される様子を示している。図
７に示すように、検査対象物２６の表面の同一領域に異
なる角度から光を照射するためには、対物レンズ２５の
収差を利用すると良い。レンズの球面収差によれば、レ
ンズの中心軸から半径方向に向かうにしたがって、焦点
距離が短くなり、また、レンズの色収差によれば、波長
によって屈折率が異なるため、対物レンズの同じ位置に
波長の異なる光が入射した場合には、波長によって焦点
距離が変化する。したがって、分光した光を同心円状に
並べ替える際に、例えば、本実施形態のように波長の長
い光から順に、中心軸から半径方向に並べ、上記のよう
なレンズの特性を利用すれば、検査対象物の同一の領域
に異なる波長の光を照射することができる。

【００２４】光が照射された検査対象物２６を、検査対
象物２６の真上に設置されたカラーＣＣＤカメラ２８か
ら見ると、赤色光１６ｃの照射角を２等分する線を法線
とする面が赤色に着色されて見え、同様に、緑色光１６
ｂ、青色光１６ａの照射角を２等分する線を法線とする
面が、ぞれぞれ緑色、青色に着色されて見える。

【００２５】カラーＣＣＤカメラ２８はパーソナルコン
ピュータと所定のソフトウェアからなる処理装置２９に
繋がれており、カラーＣＣＤカメラ２８で撮影された画
像をディスプレイに表示して、検査対象物４の表面の凹
凸状態を検査することができる。また、例えば半田付け
面の検査などを行う場合、あらかじめ良好な半田付け面
の画像情報や、半田不良の場合の画像情報を処理装置２
９に記憶しておき、検査対象物２６の画像をこれらの画
像と比較すれば、着色具合によって半田の良・不良を自
動選別することができる。

【００２６】本実施形態によれば、最低１つの白色光源
があればよいので、複数の光源を使用するよりも消費電
力が少なくてすみ、装置を小型化することもできる。ま
た、最低一つの白色光源があればよいので、複数の光源
を使用する場合のように光源ごとに光量や位置関係の調
整を行う必要もない。

【００２７】また、本実施形態のように、ダイクロイッ
クミラーを用いて一つの白色光を分光する方法によれ
ば、単色度の高い、波長領域の重なりがない光が得られ
るため、光の照射により着色された物体表面の画像は、
コントラストの利いた鮮明な画像になり、より凹凸の状
態を認識しやすく、検査精度が向上する。

【００２８】また、本実施形態にあっては、同心円状に
光を出射するように光ファイバーの光出射端を配列して
いるが、同心円以外の任意の形状にしてもよい。また、
光ファイバの本数を増減させることによって、様々な大
きさの検査対象物の形状検査に使用することができる。
さらに、本実施形態のように同心円状に出射された光
を、同軸落斜光学系を用いて検査対象物に照射すれば、
小さな照射角で照射できるため、凹面の内部にまで光を
照射することができ、入り組んだ形状の検査対象物であ
っても検査することができる。

【００２９】（第２の実施形態）図８は本発明の別な実
施形態である、三次元形状検査装置の投光部１２を示し
ている。本投光部１２は一つの白色光源１３とコリメー
トレンズ３０、２枚のダイクロイックミラー１４ａ,１
４ｂおよび、２枚の全反射ミラー３１ａ,３１ｂから構
成されている。白色光源１３から出射された光はコリメ
ートレンズ３０で平行光にされ、第一ダイクロイックミ
ラー１４ａに入射する。第一ダイクロイックミラー１４
ａでは青色光１６ａのみが反射され、その他の波長領域
の光は透過する。第一ダイクロイックミラー１４ａを透
過した光は第二ダイクロイックミラー１４ｂに入射し、
第二ダイクロイックミラー１４ｂで反射する緑色光１６
ｂと、第二ダイクロイックミラー１４ｂを透過する赤色
光１６ｃとに分光される。第一および第二ダイクロイッ
クミラー１４ａ,１４ｂで反射された青色光１６ａおよ
び緑色光１６ｂは、それぞれ全反射ミラー３１ａ,３１
ｂによって、赤色光１６ｃと平行になるように進行方向
が変えられ、出光口１７に導光される。この投光部１２
から出射される光は、図３に示す投光部１２と同様に、
光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃによってファイバ
ー結束部１８に導光され、ファイバーガイド２０内で同
心円状に再配列された各光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,
１５ｃの光出射端から、波長帯域毎に半径の異なる同心
円状の光として出射される。

【００３０】（第３の実施形態）図９は本発明のさらに
別な実施形態である、三次元形状検査装置の投光部１２
を示している。本投光部１２は一つの白色光源１３とコ
リメートレンズ３０、２枚のダイクロイックミラー１４
ｃ,１４ｄおよび、全反射ミラー３１から構成されてい
る。白色光源１３から出射した光は、コリメートレンズ
３０で平行光にされ、第一ダイクロイックミラー１４ｃ
に入射する。第一ダイクロイックミラー１４ｃでは青色
光１６ａのみが透過され、その他の波長領域の光は反射
する。第一ダイクロイックミラー１４ｃを反射した光
は、第二ダイクロイックミラー１４ｄに入射する。第二
ダイクロイックミラー１４ｄは赤色光のみを透過させ、
その他の波長領域の光を反射するものであって、第二ダ
イクロイックミラー１４ｄでは、第二ダイクロイックミ
ラー１４ｄを透過する赤色光１６ｃと、第二ダイクロイ
ックミラー１４ｄを反射する緑色光１６ｂとに分光され
る。赤色光１６ｃは全反射ミラー３１によって、第一ダ
イクロイックミラー１４ｃを透過した青色光１６ａや、
第二ダイクロイックミラー１４ｄで反射した緑色光１６
ｂと平行になるように進行方向が変えられ、三色の光は
それぞれ出光口１７に導光される。この投光部１２から
出射される光は、図３に示す投光部１２と同様に、光フ
ァイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃによってファイバー結
束部１８に導光され、ファイバーガイド２０内で同心円
状に再配列された各光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５
ｃの光出射端から、波長帯域毎に半径の異なる同心円状
の光として出射される。

【００３１】（第４の実施形態）図１０は本発明のさら
に別な実施形態である三次元形状検査装置の投光部１２
を示している。本投光部１２は一つの白色光源１３と４
枚の偏光板３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄ、２枚のダイ
クロイックミラー１４ａ,１４ｂおよび２枚の全反射ミ
ラー３１ａ,３１ｂから構成されている。白色光源１３
より出射された光は、第一偏光板３２ｄで直線偏光に変
換されて、第一ダイクロイックミラー１４ａに照射され
る。第一ダイクロイックミラー１４ａでは、青色光１６
ａのみが反射し、その他の波長の光は透過する。第一ダ
イクロイックミラー１４ａを透過した光は第二ダイクロ
イックミラー１４ｂに入射し、第二ダイクロイックミラ
ー１４ｂで反射する緑色光１６ｂと、第二ダイクロイッ
クミラー１４ｂを透過する赤色光１６ｃに分光される。
第一および第二ダイクロイックミラー１４ａ,１４ｂで
反射された青色光１６ａおよび緑色光１６ｂは、それぞ
れ全反射ミラー３１ａ,３１ｂによって赤色光１６ｃと
平行になるよう進行方向が変えられ、青色光１６ａ、緑
色光１６ｂ、赤色光１６ｃはそれぞれ可動式の第二偏光
板３２ａ,３２ｂ,３２ｃに導光される。この投光部１２
から出射される光は、図３に示す投光部１２と同様に、
光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,１５ｃによってファイバ
ー結束部１８に導光され、ファイバーガイド２０内で同
心円状に再配列された各光ファイバー束１５ａ,１５ｂ,
１５ｃの光出射端から、波長帯域毎に半径の異なる同心
円状の光として出射される。

【００３２】第二偏光板３２ａ,３２ｂ,３２ｃは可動式
になっており、これらを回転させることによって、第二
偏光板３２ａ,３２ｂ,３２ｃを透過する青色光１６ａ、
緑色光１６ｂ、赤色光１６ｃの透過光強度は連続的に変
化する。例えば、図１１（ａ）に示すように、第一偏光
板３２ｄの偏光面と、第二偏光板３２ａの偏光面が一致
するとき、第二偏光板３２ａからの透過光強度は最大と
なり、図１１（ｂ）に示すように、第一偏光板３２ｄの
偏光面と、第二偏光板３２ａの偏光面が垂直になると
き、第二偏光板３２ａから光は透過されない。

【００３３】本実施形態によれば、分光されたすべての
光を用いて検査を行うことも、ある特定の波長の光のみ
を取り出して検査に用いることもできるため、検査対象
物の種類や形状などに応じて様々な検査形態で検査を実
施することができる。

【００３４】（第５の実施形態）図１２（ａ）,（ｂ）
は本発明のさらに別な実施形態である三次元形状検査装
置の投光部１２の側面図および正面図である。本投光部
１２は一つの白色光源１３と光ファイバー束３３、円盤
型の赤色光透過ダイクロイックミラー３４、リング型の
緑色光透過ダイクロイックミラー３５、リング型の青色
光透過ダイクロイックミラー３６、および内壁が全反射
ミラー３７になっているリフレクタ３８から構成されて
いる。リフレクタ３８の光出射面は、同心円状に配置さ
れた赤色光透過ダイクロイックミラー３４、緑色透過ダ
イクロイックミラー３５、青色光透過ダイクロイックミ
ラー３６によって覆われている。

【００３５】白色光源１３から白色光を光ファイバー束
３３の入射端に照射すると、リフレクタ３８の背面部に
備え付けられた光ファイバー束３３の出射端３９からリ
フレクタ３８の内部に白色光が出射される。各ダイクロ
イックミラー３４,３５,３６は、特定色の光のみを透過
し、その他の波長の光は反射させるので、例えば、光フ
ァイバー束３３の光出射端３９から出射された白色光が
赤色透過ダイクロイックミラー３４に入射したとき、赤
色波長帯域の光は透過されるが、その他の波長の光は反
射される。反射された光は全反射ミラー３７でさらに１
回以上反射されて、再びいずれかのダイクロイックミラ
ー３４,３５,３６に入射する。このダイクロイックミラ
ーが例えば緑色透過ダイクロイックミラー３５である場
合、緑色光が透過され、青色光は反射されることにな
る。反射された青色光は全反射ミラー３７で１回以上反
射されて、再びいずれかのダイクロイックミラー３４,
３５,３６に入射し、最終的には青色光透過ダイクロイ
ックミラー３６を透過する。

【００３６】このようにリフレクタ３８に入射した白色
光は、ダイクロイックミラー３４,３５,３６又は全反射
ミラー３７で吸収されない限り反射を繰り返して、目的
とするダイクロイックミラーを透過することになるた
め、簡単に白色光を分光することができる。また、本実
施形態の投光部１２を用いれば、投光部１２の形成後に
各ダイクロイックミラー３４,３５,３６や全反射ミラー
３７の位置関係を調整する必要がない。なお、本実施形
態のようにダイクロイックミラーを用いた場合と、特定
波長帯域の光のみ透過する波長フィルターを用いた場合
とを比較すると、ダイクロイックミラーを用いた場合に
は単色度の高い光が得られるのに対し、波長フィルター
によって得られる光は、個々の光の持つ波長帯域が広く
なってしまう。したがって、例えば同じ赤色光であって
も、波長フィルタによって得られる赤色光のスペクトル
は、その末端が緑色光のスペクトルと重なるため、ダイ
クロイックミラーほどの分解能は得られない。

【００３７】（第６の実施形態）図１３は本発明のさら
に別な実施形態による三次元形状検査装置１１の構造を
示している。この実施形態の投光部１２は、白色光源１
３がリフレクタ３８内部に設けられているため、リフレ
クタ３８の外部に設けた白色光源から光ファイバーで白
色光を導光する必要がなく、投光部を小型化することが
できる。リフレクタ３８の光出射面は、赤色光のみ透過
しその他の波長帯域の光は反射する円形の赤色光透過ダ
イクロイックミラー３４，その外周円を内周円とするリ
ング型の緑色光透過ダイクロイックミラー３５、さらに
その外周円を内周円とするリング型の青色光透過ダイク
ロイックミラー３６によって構成されている。この形状
のダイクロイックミラー３４,３５,３６を用いれば、分
光と同時に分光された光が同心円状に配列されて投光部
１２から出射されるため、分光した光を光ファイバーを
用いて同心円状に並べ換えるための空間が必要がなく、
三次元形状検査装置１１を小型化することができる。

【００３８】（第７の実施形態）図１４は本発明のさら
に別な実施形態である三次元形状検査装置の撮像部４０
の構造を示している。この撮像部は青色光反射ダイクロ
イックミラー４１ａ、緑色光反射ダイクロイックミラー
４１ｂ、および３つのモノクロＣＣＤカメラ４２ａ,４
２ｂ,４２ｃから構成されている。各ダイクロイックミ
ラー４１ａ,４１ｂは、特定波長の光のみ反射し、それ
以外の波長の光は透過するので、例えば、撮像部４０に
緑色光１６ｂが入射した場合、緑色光は青色光反射ダイ
クロイックミラー４１ａを透過し、緑色光反射ダイクロ
イックミラー４１ｂで反射してモノクロＣＣＤカメラ４
２ｂに入射する。

【００３９】図１５は、図５の三次元形状検査装置のカ
ラーＣＣＤカメラ２８を、本実施形態の撮像部４０に置
き換えた三次元形状検査装置１１を示している。検査対
象物２６で反射した光は、撮像部４０の中で波長毎に異
なるモノクロＣＣＤカメラ４２ａ,４２ｂ,４２ｃに入射
する。したがって、モノクロＣＣＤカメラ４２ａで得ら
れる画像は、青色光１６ａで着色されて見える面のみを
示す画像になり、モノクロＣＣＤカメラ４２ｂで得られ
る画像は、緑色光１６ｂで着色されて見える面のみを示
す画像になる。また、モノクロＣＣＤカメラ４２ｃで得
られる画像は、赤色光１６ｃで着色されて見える面のみ
を示す画像になる。各モノクロＣＣＤカメラ４２ａ,４
２ｂ,４２ｃで得られた画像は、各モノクロＣＣＤカメ
ラ４２ａ,４２ｂ,４２ｃごとに処理装置で処理され、個
別の画像としてディスプレイに表示することができる。
また、これらの内の２つもしくは３つの画像を重ね合わ
せて、カラー画像としてディスプレイに表示することも
できる。

【００４０】撮像部４０において画像を青色画像、緑色
画像、赤色画像に分解する手段としてダイクロイックミ
ラー４１ａ,４１ｂ,４１ｃを用いれば、カラーフィルタ
に比べて透過光領域の重なりを小さくできるので、画像
の分解能が高くなる。しかも、撮像部４０におけるダイ
クロイックミラー４１ａ,４１ｂ,４１ｃと、投光部１２
で用いられているダイクロイックミラーとが同じ特性の
ものであれば、同じ方向から照射された光は、同じＣＣ
Ｄカメラ４２ａ,４２ｂ,４２ｃ内に入ることになり、投
光側と撮像側における誤差が無くなり、その結果、検査
精度が向上する。

【００４１】

【発明の効果】本発明の三次元形状検査装置によれば、
白色光を波長選択ミラーを用いて分光し、波長の異なる
複数の光を取り出すため、最低一つの白色光源があれば
よく、装置を小型化でき、消費電力を低減させることが
できる。また、一つの白色光を分光して得られた単色光
同士では、波長帯域が重なることがなく、鮮明な色彩の
画像が得られるため、物体の形状認識精度が向上する。

【００４２】また複数の光源を用いた場合、時間経過な
どにより個々の光源毎に劣化が起こるため光源毎の調整
が煩雑になるが、本発明の三次元形状検査装置によれ
ば、最低一つの白色光源があれば良いため、最低一つの
白色光源の調整さえすればよい。

【００４３】白色光を分光して得た光を光ファイバ束に
の入射端に照射し、光ファイバ束の出射端を並べ換えれ
ば、光を波長域毎に半径の異なる同心円状など任意の形
状に再配置することができる。また、同心円状に並べた
波長選択ミラーと全反射ミラーを用れば、白色光を分光
すると同時に、分光された光を同心円状に並べ替えるこ
とができるため、三次元形状検査装置を小型化すること
ができる。

【００４４】また、顕微鏡の対物レンズなどの同軸落斜
光学系を用いれば、対象物が微少である場合や凹面を有
する場合であっても検査を行うことができる。

【００４５】さらに、本発明の三次元形状検査装置に偏
光板を用いた場合、分光された光ごとに光量の調整が可
能となり、分光されたすべての光を使用することも、特
定の波長の光のみを使用することもできるため、様々な
検査形態で検査を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アクティブセンシング法を利用した従来例によ
る三次元形状検査装置の構造を説明するための概略図で
ある。

【図２】検査対象物表面での光の反射の様子を説明する
概略図である。

【図３】本発明の実施形態である三次元形状検査装置の
投光部付近の構造を示す断面図である。

【図４】同上の投光部のファイバーガイドの構造を示す
正面図である。

【図５】同上の投光部で構成される本発明の実施形態で
ある三次元形状検査装置の構成を示す概略図である。

【図６】同軸落斜光学系の対物レンズを透過する光の様
子を説明する図である。

【図７】同上の対物レンズの収差を利用して検査対象物
に光を照射する様子を説明する図である。

【図８】本発明のさらに別な実施形態による投光部の断
面図である。

【図９】本発明のさらに別な実施形態による投光部の断
面図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施形態による投光部の
断面図である。

【図１１】（ａ）,（ｂ）は２枚の偏光板の偏光面を、
一致させたとき、および、垂直にしたときの光の透過の
様子を説明する図である。

【図１２】（ａ）,（ｂ）は本発明のさらに別な実施形
態である三次元形状装置の投光部の側面図および正面図
である。

【図１３】本発明のさらに別な実施形態である三次元形
状検査装置の構成を示す概略図である。

【図１４】本発明のさらに別な実施形態である三次元形
状検査装置の撮像部の断面図である。

【図１５】同上の撮像部を備えた三次元形状検査装置の
構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１１三次元形状検査装置１２投光部１３白色光源１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄダイクロイックミ
ラー１５ａ、１５ｂ、１５ｃ光ファイバー束１６ａ青色光１６ｂ緑色光１６ｃ赤色光１７出光口１８ファイバー結束部２０ファイバーガイド２２コリメートレンズ２３ハーフミラー２４検査台２５対物レンズ２６検査対象物２８カラーＣＣＤカメラ２９処理装置３２ａ,３２ｂ,３２ｃ,３２ｄ偏光板３３光ファイバー束３４赤色光透過ダイクロイックミラー３５緑色光透過ダイクロイックミラー３６青色光透過ダイクロイックミラー３７全反射ミラー３８リフレクタ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長の異なる光を照射角度を変えて対象
物に照射し、対象物の三次元形状を検知する三次元形状
検査装置において、白色光源と、白色光を波長選択ミラーを用いて分光する分光手段と、分光された各波長域の光の光束断面を同心円状に変換す
る光変換部と、前記光変換部からの出射光を各波長域毎に異なる照射角
度で対象物に照射する光照射部と、対象物からの反射光を波長毎に認識する撮像素子と、を
備えた三次元形状検査装置。
【請求項２】前記分光手段は、特定波長域の光のみ反
射し、他の波長域の光は透過する波長選択ミラーを用い
ていることを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状
検査装置。
【請求項３】前記分光手段は、特定波長域の光のみ透
過し、他の波長域の光は反射する波長選択ミラーを用い
ていることを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状
検査装置。
【請求項４】前記分光手段および前記光変換部が、同
心円状に配置された円板状または環状の波長選択ミラー
で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の三
次元形状検査装置。
【請求項５】前記波長選択ミラーをダイクロイックミ
ラーとする請求項１に記載の三次元形状検査装置。
【請求項６】分光された光のエネルギーを、偏光手段
を用いて各波長領域毎に調節することを特徴とした請求
項１に記載の三次元形状検査装置。
【請求項７】前記光変換部は、前記分光手段で分光さ
れた光を導光する光ファイバーの光出射端を同心円状に
再配列したものであることを特徴とする請求項１に記載
の三次元形状検査装置。
【請求項８】前記光照射部は出射光を対象物に向けて
同軸落斜させるための同軸落斜光学系を備えていること
を特徴とする請求項１に記載の三次元形状検査装置。
【請求項９】前記撮像素子は波長選択ミラーと複数の
モノクロＣＣＤで構成されていれていることを特徴とす
る請求項１に記載の三次元形状検査装置。