JP2007093369A - 変位測定装置及びそれを用いた形状検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物上の測定点の形状に応じて異なった角度で正反射する光を検出できる複眼機能を備えた光センサーにより、頂点や平坦な面のみならず斜面の変位を測定する技術を提供する。
【解決手段】投光部１００により、光を被測定物上の測定点に集光させ、その測定点から正反射する反射光を受光するための複数の受光部２００，２１０，２２０を備え、その複数の受光部は、投光される光を含み被測定物にほぼ垂直な平面と交差する方向に測定点を軸としてほぼ扇状に配列され、かつ各受光部の受光面が占める測定点から受光できる受光範囲が、隣り合う受光部の受光面同士で連続するように配置する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、被測定物の光を当てて走査しつつその反射光を受けることにより、被測定物の表面の変位を三角測量する変位測定装置及びそれを用いた形状検査装置に関する。特に、本発明は、走査方向に傾斜する被測定物の表面の変位を測定できる技術に係る。

従来、三角測量により変位測定する装置として、特許文献１の従来技術に示されるものがあった。このような従来技術により変位測定を行うと、被測定物の表面の傾斜が良く測定できない問題があった。例えば、図１０（Ａ）に示すように、被測定物のシール材の表面形状を測定しようとすると、走査位置がｍ点（略頂上付近の平面の点）で走査光を入力したとき正反射する反射光を測定して変位を測定し、そのまま位置ｎ点（斜面の点）に移して、ｍ点での測定と同じ角度の走査光を入力して測定しようとするとｎ点で正反射する反射光が、ｍ点での反射光とは異なった方向へ反射する。つまり、反射光を検出する検出器をｍ点の反射光を受ける位置に配置すると、ｎ点の反射光を受けられないことが起きる。したがって、測定結果を走査方向に沿ってプロットすると、図１０（Ｂ）の実線で示すようにシール材の傾斜部において、シール材の実断面（図１０（Ｂ）の点線）に比べ落ち込んだ波形が得られる。上記のように傾斜部においては正反射した反射光を受光できないためである。

そこで、特許文献１の発明は、光変位センサーそのものを被測定物の傾斜面に応じて回転させて測定するものであった。特許文献１の発明に係る技術は、光変位センサーの出力が所定値になるよう、光変位センサーを回転するように自動制御する構成にされていた。したがって、測定点の斜面や平面等に追随して測定する事が可能であった。

特公平７−６９１５１号公報

上記の特許文献１の技術によれば、光変位センサーの出力が所定値になるように光センサーの回転位置（角度）を自動制御するものであるから、光変位センサーの出力が所定値に落ち着くまでの制御時間が必要であること、またその制御時間は、測定点における形状（平面、斜面等）に依存するということがあって、測定点を次々と走査しながら測定する変位測定装置においては、その走査時間を遅延させる恐れがあった。また、構成も回転位置の制御機構も複雑であった。

本発明の目的は、被測定物上の測定点の形状に応じて異なった角度で正反射する光を検出できる複眼機能を備えた光センサーにより、その測定点における形状の影響を防止して、測定点を走査しつつ（形状の変化に依存する時間をかけることなく）測定できる技術を提供する。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光源（ＬＤ）と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光した位置を測定点として照射する集光レンズ（２）と、前記被測定物から前記測定点を対称にして正反射した光を受光する受光レンズ（３）と、該受光レンズで集光された光を受ける受光素子（ＰＳＤ）と、を有し、前記受光素子の受光面上の受光位置により前記測定点における前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、
前記受光レンズと前記受光素子とで受光部を形成し、前記受光部が前記測定点を中心に複数備えた。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の受光部は、前記測定点と前記受光レンズとの距離が全てほぼ同一であり、さらに前記受光レンズと前記受光素子との距離が全てほぼ同一である構成とした。

請求項３に記載の発明は、光源（ＬＤ）と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光した位置を測定点として照射する集光レンズ（２）と、前記被測定物から前記測定点を対称にして正反射した光を受光する受光レンズ（３）と、該受光レンズで集光された光を受ける受光素子（ＰＳＤ）と、を有し、前記光源、前記集光レンズ、前記受光レンズ、及び前記受光素子が前記被測定物に対して相対的に移動することで、前記測定点が前記被測定物を走査するようになっており、前記受光素子の受光面上の受光位置により前記測定点における前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、
前記受光レンズと前記受光素子とで形成された受光部の複数を、前記被測定物の前記走査方向に沿った断面における両側の傾斜面及びその間の頂部のいずれを測定点としても受光できるように、前記測定点を中心に配列して備えた。

請求項４に記載の発明は、光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する投光部（１００）と、前記測定点から正反射する反射光を受光するための受光部（２１０）とを有する光変位センサーを備え、前記投光される光を含み前記被測定部にほぼ垂直な平面に直交する方向に相対的に前記光センサーを移動させることにより走査して、前記被測定物の変位を測定する変位測定装置であって、
前記光変位センサーは前記受光部を複数（２００、２１０、２２０）を備えており、その複数の受光部は、前記平面と交差する方向に前記測定点を軸としてほぼ扇状に配列され、かつ各前記受光部の受光面が占める前記測定点から受光できる受光範囲が、変位測定上、隣り合う受光部の受光面同士で連続するように配置された構成とした。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記複数の受光部は、前記平面と交差する点に１つと、その両側に同じ数だけ対称に配列された構成とした。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記投光部は、光源（ＬＤ）と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する集光レンズ（２）とを備え、
前記複数の受光部は、前記測定点から正反射した光を受けて集光する受光レンズ機能素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、該受光レンズ機能素子で集光された光を受ける受光素子（ＰＳＤ１、ＰＳＤ２、ＰＳＤ３）とを備え、
前記受光部の受光面は、前記受光レンズ機能素子の受光面である構成とした。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記複数の受光レンズ機能素子からその前記集光される位置までの距離はほぼ同一であり、前記各受光レンズ機能素子は前記測定点からほぼ同一距離に配置され、かつ隣り合う受光レンズ機能素子の受光面が互いに接するように近傍に配置された構成とした。

請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記各受光レンズ機能素子は、前記測定点から正反射した光を受けて平行光にするコリメータレンズ（３ａ１、３ｂ１、３ｃ１）とコリメータレンズからの平行光を前記対応する受光素子へ集光する受光用集光レンズ（３ａ１、３ｂ２、３ｃ２）とを有し、
前記受光部の受光面は、前記コリメータレンズの受光面であって、隣り合うコリメータレンズの受光面が前記測定点に対して占める受光範囲が、互いに連続するように配置されるとともに、各受光レンズ機能素子における、前記測定点と前記コリメータレンズ間の距離と、前記受光用集光レンズと前記受光素子間の距離の比が、ほぼ同一である構成とした。

請求項９に記載の発明は、光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する投光部（１００）と、前記測定点から正反射する反射光を受光するための受光部（２１０）とを有する光変位センサーと、前記投光される光を含み前記被測定物にほぼ垂直な平面に直交する方向に相対的に前記光変位センサーを移動させることにより走査して、前前記光センサーの出力により記被測定物の変位を測定する変位測定部（３００）と、変位測定部の出力の良否を判定する検査部（４００）とを備えた形状検査装置であって、
前記光変位センサーは前記受光部を複数（２００、２１０、２２０）を備えており、その複数の受光部は、前記平面と交差する方向に前記測定点を軸として略扇状に配列され、かつ各前記受光部の受光面が占める前記測定点から受光できる受光範囲が、変位測定上、隣り合う受光部の受光面同士で連続するように配置された構成とした。

なお、上記発明の表現を変えると次のように言える。つまり、光源と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する集光レンズと、前記測定点を境にして対称に正反射した光を受けて集光する受光レンズ機能素子と、該受光レンズ機能素子で集光された光を受ける受光素子と、を有する光変位センサーを備え、前記光変位センサーを前記被測定物に対して相対的に、かつ前記光源から前記測定点までの光路を含み前記被測定物に対してほぼ垂直な平面に直交する方向に移動させることにより前記測定点を走査させて、前記受光素子の受光面上の受光位置により前記測定点における前記被測定物の変位を検出する変位測定装置であって、
前記光変位センサーは、前記受光レンズ機能素子が複数、前記平面と交差する方向に該平面を境に対称に前記測定点を軸として略扇状に配列され、かつ各前記受光レンズ機能素子の測定点に対して有する受光範囲が、変位測定上、隣合う受光レンズ機能素子間で連続するように配置され、さらに、前記受光素子が複数、前記配列された受光レンズ機能素子に対応して各受光レンズ機能素子によって集光される位置に配置される構成を備えたことを特徴とする変位測定器。

本発明は、光変位センサーが、異なる角度の複数の光を検出できる受光部を備える構成、いわゆる複眼機能をもつ構成であるから、走査中に測定点の形状変化に応答して、受光できるので、形状の変化に応じた変位を走査しつつ直ちに測定きる。また、従来の特許文献１のように単眼の光変位センサーを回転させる機構がないので、容易に構成できる。

本発明の実施形態を図を用いて説明する。図１は、本発明に係る光変位センサーの実施形態を説明するための模式的な構成図である。図１（Ａ）は光源であるＬＤ（レーザーダイオード）から被測定物へ照射される光を含み被測定物に垂直な平面に直交する方向から見た図である。言い換えれば、走査方向から見た図である。図２は、図１の構成を矢視Ａから見た模式的な図である。図３は、受光素子であるＰＳＤ及び受光レンズ（機能素子）を含む受光部を説明するための図であり、複数の受光部を同一構成とした場合を説明するための図である。図４は、複数の受光部の受光レンズ機能素子を変えた場合の例を説明するための図である。図５は、複数の受光部における受光レンズ機能素子及び受光素子であるＰＳＤが異なる場合の例を説明するための図である。図６は、本発明の変位測定装置に係る実施形態の機能構成を示す図である。図７は、図６の実施形態を用いた形状検査装置の実施形態の機能構成を示す図である。図８は、変位測定結果の例を示す図である。図９は、受光範囲の連続性を説明するための図である。

［光変位センサー］
ここでは、図１における光源ＬＤ、コリメータレンズ１及び集光レンズ２で構成される投光部１００と、受光レンズ（機能素子）及び受光素子（この１組み合わせが１受光部）からなる３つの受光部２００，２１０，２２０（代表して「受光部」と言うことがある。）とで構成される光変位センサーの構成及び動作について説明する。

なお、本発明において、「受光レンズ機能素子」と言う表現を用いているが、同一機能・性能を単一のレンズ或いは複数のレンズで達成できることから、それら全体を表すための表現である。

図１において、光源ＬＤは、例えばレーザダイオードであり光を発生する。実際は、光の束（ビーム）であるが、図１には、単純な線で示している。コリメータレンズ１は、光源ＬＤからの光を受けて平行光に変換して集光レンズ２へ送る。集光レンズ２は、コリメータレンズ１から受けた平行光を集光して被測定物上を照射する。以下では、この照射された位置を「測定点」と言う。

図１及び図２において、この例では、受光レンズ（機能素子）としては受光レンズ３ａ、３ｂ、３ｃ（代表して「受光レンズ３」と言うことがある。）の３つを有し、照射された被測定物上の測定点で正反射した光を受けて受光素子ＰＳＤ１〜３のいずれかに集光させる。この例では、受光素子としてもＰＳＤ１〜３の３つを有している。受光素子ＰＳＤ１〜３（代表して「受光素子ＰＳＤ」と言うことがある。）のそれぞれは、この場合は、図１（Ｂ）に示すように同一の構成を有する。受光素子ＰＳＤ１〜３は、光学的に変位を測定し電気信号に変換する素子であり、フォトダイオードで構成されも良いし、ＣＣＤで構成されても良い。受光素子ＰＳＤ１〜３は、光学図１（Ｂ）の縦方向に、光を受けたＰＳＤ上の位置、つまり変位Ｌｐは、その両端から出力される強度、例えば、出力Ａ１と出力Ｂ１の値を用いて、Ｌｐ１＝（Ａ１−Ｂ１）／（Ａ１＋Ｂ１）で示される。したがって、図１に示すように測定点の形状、高さの変化は、受光素子ＰＳＤ１〜３が受光する位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３がそれぞれの出力Ａ１〜３，出力Ｂ１〜３で上式により特定され、変位Ｌｐ１〜Ｌｐ３が測定できる（詳細は後記。）。

図１，２の受光レンズ３ａ、３ｂ、３ｃは、同じ焦点距離のものを使用し、例えば、図３のように比（ＰＳＤ側の焦点距離Ｆ２／測定点側の焦点距離Ｆ１）が同じレンズ（レンズ機能素子）を使用している。受光素子ＰＳＤの性能、受光レンズ３の性能が同じなので、測定点と各受光レンズ３との間の距離は同じであり、かつ測定点と各受光素子ＰＳＤとの間の距離も同じである。受光部２００，２１０，２２０の３つの変位検出感度を同一にするためである。

また、図２に示すように、投光部１００から投光される光の光路を含み被測定物に垂直な面（図１の面、或いは図２の受光素子ＰＳＤ２と測定点とを結ぶ線上に立てた面）と交差するようにほぼ扇状に配設された受光レンズ３ａ、３ｂ、３ｃの受光面は互いに隣合う同士で接触するように構成することが望ましい。つまり、図２に示すように受光レンズ３ａで受けた光は受光素子ＰＳＤ１に集光し、受光レンズ３ｂで受けた光はＰＳＤ２に集光し、受光素子３ｃで受けた光は受光素子ＰＳＤ３に集光させることにより、受光レンズ３ａから３ｃまでの扇状に配設された各角度範囲（受光範囲）にある光を漏れなく受光できる構成とするためである。隣合う各受光素子の受光面間に隙間があれば、その隙間に入った光は受光できないので、その隙間に入った位置における測定点の変位に誤差を生ずることになるためである。

なお、上記のように「扇状に配設された受光レンズ３ａ、３ｂ、３ｃの受光面は互いに隣合う同士で接触するように構成」とは、いわば各受光部（受光レンズ３）の受光面が測定点に対して有する受光範囲を隣合う受光面同士で連続するように配置させることであり、完全に連続すれば良いが、配置・構造上の誤差等の問題がある。そこで、ここでの「連続するように配置」は、配置した結果あくまで実質的に変位測定ができることを意味する。言い換えれば、実質的に測定に影響のない受光範囲の不連続を許容する。例えば、光を光束として捉えた場合、図９に示すように少なくとも光の一部がいずれかの受光レンズに入力されていれば、測定可能なので、連続性がある。図９は、説明のため図４の受光レンズ３ａ１、３ｂ１，３ｃ１だけ取り出して配列し直したものである。図９において、測定点からの反射光Ａ（斜線部分の光束）の一部が受光レンズ３ｂ１と３ｃ１の間を抜けて、一部が受光レンズ３ｂ１で受光している。反射光Ｂ（斜線部分の光束）の一部が受光レンズ３ｂ１に入力され、他の一部が受光レンズ３ａ１に入力され、更に他の一部が受光レンズ３ｂ１と３ａ１の間を抜けて、一部が受光レンズ３ｂ１で受光している。このように、測定点からの反射光が全部抜けない寸法関係の構造にすることで、連続性ができる。

一方、走査過程において、例えば、次の（イ）又は（ロ）のような測定方法で、所定距離間において反射光が抜けることがあっても、測定上は実質的に連続して測定するものであって、その変位測定上許容される誤差範囲内であれば、実質的に受光面の受光範囲が連続するように配置されたものとみなすものとする。
（イ）走査方向に走査して、所定距離毎（走査方向の測定分解能）に変位を測定する。つまり、走査方向に所定距離毎に連続して測定できれば良い。また、上記のように所定距離毎に測定するのであるが、被測定物の凹凸の傾斜度の程度や、平坦度の程度が被測定物の種類等で予想されるとき、その所定距離間隔を大きくしたり、或いは集中的に一部細かく一部大きくしたりすることがある。
（ロ）被測定部の凹凸の形状の傾斜度の程度や、平坦度の程度によっては、所定距離間隔の一つ又は複数間隔おきに変位測定し、その一つ又は複数間隔における値は前後の測定値で補正する、或いは前後の測定値を結んだ線上の推定値とすることも可能である。
以上のように実質的な悪影響がなければ、受光範囲の不連続性があっても本発明の範疇に属する。以下、受光範囲の連続については、上記意味を呈するものとする。

図２は、図１の矢視Ａから見た図であり（光源側の構成を省略）、かつ主走査の位置により、正反射の角度が変わり、かつ受光素子ＰＳＤ１〜３での受光位置が変化する様子を示している。第１の走査光、第２の走査光及び第３の走査光は、本来一つの光で測定点を主走査するのであるが、説明上、被測定物上の測定点Ｘｎ−１を走査したときの光を第１の走査光、測定点Ｘｎを走査したときの光を第２の走査光及び測定点Ｘｎ＋１を走査したときの光を第３の走査光として表現している。第の１の走査光によって測定点Ｘｎ−１の傾斜（主走査方向に対して右上がりの傾斜点）で正反射した光は、受光レンズ３ａで受光素子ＰＳＤ１に集光されて（ｐ２）、その変位が、Ｌｐ２＝（Ａ１−Ｂ１）／（Ａ１＋Ｂ１）として測定される。第２の走査光によって測定点Ｘｎの頂上で正反射した光は、受光レンズ３ｂで受光素子ＰＳＤ２に集光されて（ｐ１）、その変位が、Ｌｐ１＝（Ａ２−Ｂ２）／（Ａ２＋Ｂ２）として測定される。第３の走査光によって測定点Ｘｎ＋１の傾斜（主走査方向に対して右下がりの傾斜点）で正反射した光は、受光レンズ３ｃで受光素子ＰＳＤ３に集光されて（ｐ３）、その変位が、Ｌｐ３＝（Ａ３−Ｂ３）／（Ａ３＋Ｂ３）として測定される。実際は、後記する変位測定装置（図６参照）で説明するように、変位Ｌ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）、Ａ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３、Ｂ＝Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３で表すことができる。

図８にその測定結果を示す。図８は、横軸が主走査方向の走査位置を示し、縦軸は各受光素子ＰＳＤの出力を基に計算した変位である。この図のように、斜面で正反射した光を受光して、その形状変位を求めることができる。

［光変位センサーの態様］
ここでは、光変位センサーの態様、特に受光部の態様について説明する。受光部は、それを構成する受光素子ＰＳＤ、受光レンズ機能素子等の違いによって次の（１）〜（４）に示すような実施態様があり、いずれを採用してもよい。
（１）３つの受光部を構成する、それぞれの受光素子ＰＳＤ、受光レンズ機能素子の
性能・機能が同じ場合：
これについては、上記の図１，２で説明したものと同じで、測定点と各受光レン
ズ３との間の距離は同じであり、かつ測定点と各受光素子ＰＳＤとの間の距離も同
じである。

（２）各受光部の受光素子ＰＳＤの性能・機能は同じであるが、各受光レンズ機能素
子の性能・機能が異なる場合：
この例を図４において説明する。図４の各受光レンズ機能素子は、それぞれ測定
点からの正反射を受光して平行光にするコリメータレンズ（３ａ１，３ｂ１，３ｃ
１）と、その平行光を受光素子ＰＳＤに集光させる受光用集光レンズ（３ａ２，３
ｂ２，３ｃ２）で構成される。ここで、コリメータレンズ３ａ１，３ｂ１，３ｃ１
の各焦点距離をＦａ１，Ｆｂ１，Ｆｃ１とし、受光用集光レンズ３ａ２，３ｂ２，
３ｃ２の各焦点距離をＦａ２，Ｆｂ２，Ｆｃ２として、各受光部としての光学的拡
大率Ｆａ２／Ｆａ１，Ｆｂ２／Ｆｂ２，Ｆｃ２／Ｆｃ１が全て同一の値である。こ
の場合、測定点と各コリメータレンズとの間の距離、測定点と各受光素子ＰＳＤと
の間の距離（図４の距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ）は、それぞれ異なっても良い。特に、
コリメータレンズ（３ａ１，３ｂ１，３ｃ１）と受光素子ＰＳＤとの間によっても
距離が異なってくる。

この例では、コリメータレンズ３ａ１，３ｂ１，３ｃ１が測定点からの光を集光
するので、隣合うコリメータレンズ３ａ１とコリメータレンズ３ｂ１，コリメータ
レンズ３ｂ１とコリメータレンズ３ｃの各受光面の測定点に対する受光範囲が互い
に連続するように配列されることが必要である。測定点からの正反射がコリメータ
レンズ間で漏れないようにするためである。この場合は、コリメータレンズ３ａ１
，３ｂ１，３ｃ１に焦点距離の違いに応じて、測定点からの距離を異ならせること
もできるので（図４を参照）、上記（１）と違って、隣合う受光面で受光範囲を連
続させることが容易になる。

（３）各受光部の受光素子ＰＳＤの性能・機能、及び各受光レンズ機能素子の性能・
機能が異なる場合：
この例を図５の２つの受光部について比較して説明する。図５（Ａ）の各受光レ
ンズ機能素子は、それぞれ測定点からの正反射を受光して平行光にするコリメータ
レンズ（３ｂ１，３ｃ１）と、その平行光を受光素子ＰＳＤに集光させる受光用集
光レンズ（３ｂ２，３ｃ２）で構成される。ここで、コリメータレンズ３ｂ１，３
ｃ１の各焦点距離をＦｂ１，Ｆｃ１とし、受光用集光レンズ３ｂ２，３ｃ２の各焦
点距離をＦｂ２，Ｆｃ２とすると、各受光部としての光学的拡大率Ｆｂ２／Ｆｂ１
，Ｆｃ２／Ｆｃ１である。一方、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の受光素子ＰＳＤ２，
３の部分を拡大した図である。この図で、受光素子ＰＳＤ２とＰＳＤ３とでは、後
段のデジタル処理により同じ区画数Ｑ（例えば、４０９６）として扱われ処理され
るが、それらの処理の１区画（画素、ドット）当たりのサイズの比（ＰＳＤ２の１
区画サイズ／ＰＳＤ３の１区画サイズ）が、光学的拡大率の比｛（Ｆｂ２／Ｆｂ１
）／（Ｆｃ２／Ｆｃ１）｝に等しくされている。結果として、受光素子ＰＳＤ２と
受光素子ＰＳＤ３とが同一光から受ける１区画当たりの感度は、同じになる。した
がって、この態様でも、測定点から各受光素子ＰＳＤ１〜３までの距離は受光部毎
に異ならせることができる。このような考え方は、受光素子ＰＳＤとして、ＣＣＤ
素子、ＣＭＯＳ素子等をアレイ状に配して形成した場合も、それらの受光素子間で
画素数（例：ＣＣＤ素子数）が同じで、その１画素あたりのサイズ（例：ＣＣＤ素
子のサイズ）が異なる構成のものを用いることで対応できる。

（４）上記３で、各受光部の各受光レンズ機能素子の性能・機能が異なるが、受光素
子ＰＳＤの性能・機能が同じで、ソフトウェア又はアンプのゲイン等でオフセット
、感度等を調整する場合：
各受光レンズ機能素子の性能・機能が異なることによって、光学的倍率（感度）
やオフセットが異なるが、その分をソフトウェアやアンプで調整する。つまり、上
記（３）のように拡大率がＦｂ２／Ｆｂ１と拡大率Ｆｃ２／Ｆｃ１が異なっても、
同一機能・性能の受光素子ＰＳＤ２とＰＳＤ３が受光する像の位置は変わらないの
で、そのソフトウェアやアンプで調整することができる。
［変位測定装置］
図６を基に、上記説明した光変位センサーを使用した変位測定装置の実施形態について説明する。

図６において、光変位センサー４が、上記図１，２で説明した変位センサーを簡単に示したものである。光変位センサー４には、代表して図１における光源ＬＤと、受光素子ＰＳＤ１〜３が記載されている。図６において、制御部６，走査機構５、加算器７，８、演算器９及び画像処理部１０は、変位測定部３００を構成している。

図６の制御部６は、予め被測定物の表面を走査して測定するために必要な、被測定物の表面に係るレイアウト情報を有し、そのレイアウトに基づいて、主走査範囲とその回数、主走査方向に直交する方向への副走査範囲とその回数を決定し、走査機構５に対して指示するとともに、走査開始を指示する。一方、走査しているときの位置の情報、つまり測定点の位置情報を出力している。

走査機構５は、制御部位６の指示にしたがって、光変位センサー４と被測定物を相対的に主走査に移動させ、及び副走査方向に移動させる駆動機構及び手段を備える。例えば、それらの手段は、光変位センサー４を主走査方向に直線的に移動させ、１つの主走査が終わると主走査方向と直交方向に被測定物を移動させることにより、光変位センサー４による測定点を、相対的に走査する。

加算器７は、受光素子ＰＳＤ１〜３の上段の各出力Ａ１、Ａ２，Ａ３を加算し、Ａ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３を出力し、加算器８は、受光素子ＰＳＤ１〜３の下段の各出力Ｂ１、Ｂ２，Ｂ３を加算し、Ｂ＝Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３を出力している。 そして、これらの出力Ａ，Ｂを基に演算器９が、変位情報としての出力Ｌ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を演算して出力する。なお、測定対象が鏡面で反射光の指向性が強い場合は、測定点からの正反射光は一本なので、受光素子ＰＳＤ１〜３のいずれかに入力されるので、出力Ｌ１＝（Ａ１−Ｂ１）／（Ａ１＋Ｂ１）、出力Ｌ２＝（Ａ２−Ｂ２）／（Ａ２＋Ｂ２）又は出力Ｌ３＝（Ａ３−Ｂ３）／（Ａ３＋Ｂ３）の中で光を受けた１つの演算結果と、出力Ｌ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算結果は同じである。

変位測定装置として、図８に示すように測定点と変位をプロットするだけであれば、演算器９の出力を制御部６の位置情報に対してプロットすることにより得られる。画像処理部１０は、演算器９の出力と制御部６の位置情報を基に、被測定物の表面形状を各画素が変位情報からなる３次元画像として再現するためのものである。主走査方向、副走査方向及び変位方向を３次元とする画像を演算して出力しても良い。

［形状検査装置］
図７を基に、上記説明した光変位センサー４を使用した変位測定装置を利用して被測定物の表面の変位を検査する形状検査装置に利用した実施形態について説明する。例えば、プリント基板に電子部品を搭載リフロー後の特に斜面のはんだ状態の良否判定にも有効である。図７において、制御部６，比較手段１１、判定手段１２及び表示手段１３は、検査部４００を構成している。

画像処理部１０は、演算器９の出力と制御部６からの被測定物の測定点の位置（座標）とから測定したエリア（測定点の集合領域：例えば、プリント基板上に印刷されたクリームはんだ面）における面積（例えば、はんだ印刷された面積）や体積（例えば、はんだ量）を表す画像データを生成する。比較手段１１は、制御部６からそのエリアにおける、設計値等をレファレンス（面積や体積）として受けて、画像データとレファレンスとの差を演算し出力する。なお、画像データに変換することなく、その測定点において測定した変位（高さ：例えば、はんだの高さ）とレファレンス（この場合は、例えば、測定点における設計上の高さ）との差を出力しても良い。

判定手段１２は、レファレンスに対応してその許容値を制御部から受けて、比較手段１１からの出力と比較し、比較手段１１の出力が、許容値内であれば合格とし、許容値外であれば不良（否）と判定する。

表示手段１３は、判定手段１２の判定結果を表示する。また、制御部６からレイアウト情報（例えば、プリント基板のはんだ箇所の配置図）を受けて表示し、レイアウトのどの位置が不良（否）であり、合格であるかを識別可能に表示してもよい。また、それらと別に或いは併せて、画像処理部１０で生成した画像データに基づく画像を表示させて、どの箇所が不良であり、合格であるかを識別可能に表示させることもできる。

上記の複眼の光変位センサーを用いて被測定物の表面形状を検査すると、単に頂点やフラット部分のならず傾斜部分の形状も含めて良否判定の検査ができる。

上記説明において、被測定物における測定対象として図８のように被測定物の表面の凸部で傾斜とその頂点が、本実施形態で変位測定できる旨を説明したが、反対に凹部であっても、その凹部の開口の広さにもよるがその傾斜部と底部の変位を測定できる。

本発明に係る光変位センサーの実施形態を説明するための模式的な構成図である。 図１の構成を略矢視Ａから見た模式的な図である。 受光素子であるＰＳＤ及び受光レンズ（機能素子）を含む受光部を説明するための図であり、複数の受光部を同一構成とした場合を説明するための図である。 複数の受光部の受光レンズ機能素子を変えた場合の例を説明するための図である。 複数の受光部における受光レンズ機能素子及び受光素子であるＰＳＤが異なる場合の例を説明するための図である。 本発明の変位測定装置に係る実施形態の機能構成を示す図である。 図６の実施形態を用いた形状検査装置の実施形態の機能構成を示す図である。 変位測定結果の例を示す図である。 受光レンズの受光範囲の連続性を説明するための図である。 先行技術を説明するための図である。

符号の説明

１ コリメータレンズ、 ２ 集光レンズ、 ３ 受光レンズ（機能素子）、
４ 光変位センサー、５ 走査機構、６ 制御部、７ 加算器、８加算器、９ 演算器、
１０ 画像処理部、１１ 比較手段、１２ 判定手段、 １３ 表示手段、ＬＤ 光源、
ＰＳＤ 受光素子、１００ 投光部、２００ 受光部、２１０ 受光部、
２２０ 受光部、３００ 変位測定部、４００ 検査部

Claims (9)

1. 光源（ＬＤ）と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光した位置を測定点として照射する集光レンズ（２）と、前記被測定物から前記測定点を対称にして正反射した光を受光する受光レンズ（３）と、該受光レンズで集光された光を受ける受光素子（ＰＳＤ）と、を有し、前記受光素子の受光面上の受光位置により前記測定点における前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、
   前記受光レンズと前記受光素子とで受光部を形成し、前記受光部が前記測定点を中心に複数備えられたことを特徴とする変位測定装置。
2. 前記複数の受光部は、前記測定点と前記受光レンズとの距離が全てほぼ同一であり、さらに前記受光レンズと前記受光素子との距離が全てほぼ同一であることを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
3. 光源（ＬＤ）と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光した位置を測定点として照射する集光レンズ（２）と、前記被測定物から前記測定点を対称にして正反射した光を受光する受光レンズ（３）と、該受光レンズで集光された光を受ける受光素子（ＰＳＤ）と、を有し、前記光源、前記集光レンズ、前記受光レンズ、及び前記受光素子が前記被測定物に対して相対的に移動することで、前記測定点が前記被測定物を走査するようになっており、前記受光素子の受光面上の受光位置により前記測定点における前記被測定物の変位を検出する変位測定装置において、
   前記受光レンズと前記受光素子とで形成された受光部の複数を、前記被測定物の前記走査方向に沿った断面における両側の傾斜面及びその間の頂部のいずれを測定点としても受光できるように、前記測定点を中心に配列して備えたことを特徴とする変位測定装置。
4. 光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する投光部（１００）と、前記測定点から正反射する反射光を受光するための受光部（２１０）とを有する光変位センサーを備え、前記投光される光を含み前記被測定物にほぼ垂直な平面に直交する方向に相対的に前記光センサーを移動させることにより走査して、前記被測定物の変位を測定する変位測定装置であって、
   前記光変位センサーは前記受光部を複数（２００、２１０、２２０）を備えており、その複数の受光部は、前記平面と交差する方向に前記測定点を軸としてほぼ扇状に配列され、かつ各前記受光部の受光面が占める前記測定点から受光できる受光範囲が、変位測定上、隣り合う受光部の受光面同士で連続するように配置されたことを特徴とする変位測定装置。
5. 前記複数の受光部は、前記平面と交差する点に１つと、その両側に同じ数だけ対称に配列されたことを特徴とする請求項４に記載の変位測定装置。
6. 前記投光部は、光源（ＬＤ）と、該光源から出射した光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する集光レンズ（２）とを備え、
   前記複数の受光部は、前記測定点から正反射した光を受けて集光する受光レンズ機能素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、該受光レンズ機能素子で集光された光を受ける受光素子（ＰＳＤ１、ＰＳＤ２、ＰＳＤ３）とを備え、
   前記受光部の受光面は、前記受光レンズ機能素子の受光面であることを特徴とする請求項４又は５に記載の変位測定装置。
7. 前記複数の受光レンズ機能素子からその前記集光される位置までの距離はほぼ同一であり、前記各受光レンズ機能素子は前記測定点からほぼ同一距離に配置され、かつ隣り合う受光レンズ機能素子の受光面が互いに接するように近傍に配置されたことを特徴とする請求項６に記載の変位測定装置。
8. 前記各受光レンズ機能素子は、前記測定点から正反射した光を受けて平行光にするコリメータレンズ（３ａ１、３ｂ１、３ｃ１）と該コリメータレンズからの平行光を前記対応する受光素子へ集光する受光用集光レンズ（３ａ２、３ｂ２、３ｃ２）とを有し、
   前記受光部の受光面は、前記コリメータレンズの受光面であって、隣り合うコリメータレンズの受光面が前記測定点に対して占める受光範囲が、変位測定上、互いに連続するように配置されるとともに、各受光レンズ機能素子における、前記測定点と前記コリメータレンズ間の距離と、前記受光用集光レンズと前記受光素子間の距離の比が、ほぼ同一であることを特徴とする請求項６に記載の変位測定装置。
9. 光を被測定物上に集光させることにより集光された位置を測定点として照射する投光部（１００）と、前記測定点から正反射する反射光を受光するための受光部（２１０）とを有する光変位センサーと、前記投光される光を含み前記被測定物にほぼ垂直な平面に直交する方向に相対的に前記光変位センサーを移動させることにより走査して、前前記光センサーの出力により記被測定物の変位を測定する変位測定部（３００）と、変位測定部の出力の良否を判定する検査部（４００）とを備えた形状検査装置であって、
   前記光変位センサーは前記受光部を複数（２００、２１０、２２０）を備えており、その複数の受光部は、前記平面と交差する方向に前記測定点を軸として略扇状に配列され、かつ各前記受光部の受光面が占める前記測定点から受光できる受光範囲が、変位測定上、隣り合う受光部の受光面同士で連続するように配置されたことを特徴とする形状検査装置。
   
   
   

Images