JP2010096744A - 大口径凹鏡を用いた三角測量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大口径凹鏡を用いた三角測量装置を提供する。
【解決手段】本発明は大口径凹鏡を用いた三角測量装置に係り、さらに詳しくは、大口径凹鏡を用いて物体に入射する光量の集中度を高めることにより正確な映像を取得して精度を高める大口径凹鏡を用いた三角測量装置に関する。本発明の装置は、ライン光を発する任意の照明と、前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体の表面に向かって反射させるための大口径凹鏡と、前記物体から反射された光を受光するためのカメラと、を備えることを特徴とする。これにより、本発明の装置は、大口径凹鏡により収束光を形成して取得された３次元バンプの測定領域が一層広くなり、しかも、形状誤差が減少されるという効果を奏する。
【選択図】図２

Description

本発明は大口径凹鏡を用いた三角測量装置に係り、さらに詳しくは、大口径凹鏡を用いて物体に入射する光量の集中度を高めることにより正確な映像を取得して精度を高める大口径凹鏡を用いた三角測量装置に関する。また、本発明は、測定する物体の形状に応じてライン光の厚さを調節することにより物体の形状による精度を高める大口径凹鏡を用いた三角測量装置に関する。

最近の実物模型及びモデルの数値化の持続的な発展には目を見張るものがあり、これに伴い、効果的な表面感知能力に対する必要性が高まりつつある。スキャン機械部品などの他の測定及びゲージング用途においても改善された表面数値化が求められている。単色三角測量は周知の非接触表面数値化手段であり、ほとんどの物質に対して干渉光源を使用してきた。しかしながら、干渉光源を使用するシステムの場合には、数値化工程において光ノイズを発生する可能性がある干渉に影響され易い。なお、単色三角測量は、干渉効果と表面条件による光強度の変化に敏感である。

このため、光強度とは無関係に、三角測量のためには非干渉光源を使用することが好ましい。このような三角測量の構成には２種類があるが、一つは平面構成であり、もう一つはＶ字状構成である。後者のＶ字状構成は光源とビューイング面との間の三角測量角度が減少されて従来の三角測量技術における閉塞の問題を防止することができる。

通常の三角測量装置は、測定の対象となる物体を含む測定空間を照明するための照明部システムと、前記物体により反射される光を集光し、物体の深さ的な色コード化したデータを用いて物体の３次元トポグラフィを発生させるビューイング部システムと、を備える。

特に、ソーススリットの上に多色光源をイメージングさせるためのリレイ光学素子が使用され、前記ソーススリットはスリット映像を分散素子の上に伝達する。測定の対象となる物体は、測定空間内において切断面（ｘ,ｚ）に沿って連続する単色映像として照明される。測定された物体の表面と切断面との交差により発生される色コード化した（ｘ,λ）表示がイメージング分光器のビューイングスリット上にイメージングされる。前記ビューイングスリットの上に前記映像を投影させるためにリレイレンズが使用される。分光器の映像面に位置する黒白イメージングアレイにより前記色コード化した表示がレジストされ、映像処理器により前記表示がスペクトル側光分析により３次元トポグラフィの平面部分に変換される。

このような三角測量装置に対する従来の一実施形態を図１に基づいて説明する。
図１は、従来のＶ字状三角測量装置を示す図である。
図１を参照すると、ボール状のバンプ１３を測定するために、光源１１から光を出射してイメージングシステム１４を経て口径絞り１９によりα角１７にてバンプに入射させる。また、バンプ１３からβ角１８にて反射された光を通過させる口径絞り２０と光イメージングシステム１６を通過した光がカメラ１５にイメージの形で撮像されるように構成される。

図１中、光源１１は白色光であって空間的に干渉を引き起こさない照明源であることが好ましい。光源１１は口径絞り１９によりコントロールされ、口径絞り１９は光源によって大きな開口数１９ａを有し、垂直方向には小さな開口数を有する。このとき、光源１１から出射した白色光はイメージングシステム１４を通過して口径絞り１９によりコントロールされて物体１２に入射する。このとき、物体１２に入射する光は特定の角度１７、１８をなしており、狭幅の帯状を有する。また、物体１２から特定の角度１７、１８にて反射される光は口径絞り２０を通過して光イメージングシステム１６を通過してカメラ１５に受光される。このようにして受光された光は空間的な干渉を引き起こさずに物体の光イメージを取得する。このような三角測量装置においては光源をコントロールするために口径絞り１９を使用する。

これを図４Ａに示す。
図４Ａは、物体１２にバンプ１３の映像を取得したカメラ１５に結ばれたバンプ１３の映像を示す。

しかしながら、従来の三角測量法は、照明から発せられる光源が、光路が複雑であり、しかも、光素子（レンズ、ビームスプリッタなど）の反射や吸収などに起因して光損失が生じる結果、物体に十分な光量が届かないという欠点があった。これにより、カメラにより取得した映像が不正確であるため正確なバンプ形状を得られない結果、測定誤差が発生するだけではなく、照明源のコントロールは口径絞りの開口数でしか行えずにフォーカシングが上手に行われない結果、取得された映像が鮮明ではないという不都合があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、大口径凹鏡を用いた収束光を用いてより広いバンプ領域を測定することができ、照明源のコントロールは、照明とレンズとの距離の調整だけでライン光の厚さを容易にコントロールする大口径凹鏡を用いた三角測量装置を提供するところにある。

本発明の他の目的は、凹鏡を用いて収束光を物体に入射させることにより十分な光量を物体に届かせてカメラに鮮明な映像を取得せしめ、前記鮮明な映像を通じて正確な形状を測定する三角測量装置を提供するところにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、物体の表面数値化のための三角測量装置において、ライン光を発する任意の照明と、前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体の表面に向かって反射させるための大口径凹鏡と、前記物体から反射された光を受光するためのカメラと、を備えることを特徴とする。

また、前記ライン光を発する任意の照明と、前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体の表面に向かって反射させる大口径凹鏡との間にはビームスプリッタがさらに配備されて正確に物体に向かって反射させることを特徴とする。

さらに、前記ライン光を発する任意の照明と、前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体に向かって反射させるためのビームスプリッタとの間には前記ライン光の広がり角度を調整するレンズがさらに配備されることを特徴とする。

さらに、前記物体とビームスプリッタは、前記物体に落下するライン光が任意の角度ｂをなすように配備されることを特徴とする。
さらに、前記物体とカメラは、物体から反射された光が任意の角度ａをなしてカメラに受光されるように配備されることを特徴とする。

さらに、前記大口径凹鏡は、前記レンズから発散するような発散光を入射させて前記ビームスプリッタに向かって収束するような収束光を反射させることを特徴とする。
さらに、前記大口径凹鏡の直径は、カメラのイメージ取得領域に対応する実際領域のサイズよりも大口径を有することを特徴とする。

さらに、前記照明と前記レンズとの距離を変化させたり、前記大口径凹鏡２３と前記レンズとの距離を変化させてライン光の厚さを調整することを特徴とする。

本発明は、任意の照明から発せられたライン光を用いて大口径凹鏡により光スポットを形成することにより、取得された映像を均一化及び鮮明化させ、大口径凹鏡を介して集光された収束光を使用することから、より広いバンプ領域が測定されると共に、形状誤差が減るという効果を奏する。

また、任意の照明とレンズとの距離を調整するだけで、光源の厚さをコントロールし易い効果をも奏する。

従来のＶ字状三角測量装置を示す図である。 本発明の一実施形態による三角測量装置の構成要素を示す図である。 図２の大口径凹鏡に向かうライン光の光路を示す図である。 図４Ａは取得されたバンプ映像の一例を示す画面状態図である。 図４Ｂは取得されたバンプ映像の一例を示す画面状態図である。 図５Ａは物品に収束光と発散光が達するとき、バンプから反射される光の形態を示す図である。 図５Ｂは物品に収束光と発散光が達するとき、バンプから反射される光の形態を示す図である。

以下、添付の図２から図４に基づき、本発明による好適な実施形態を詳述する。
図２は、本発明の一実施形態による三角測量装置の構成要素を示す図である。
図２を参照すると、本発明による三角測量装置は、ライン光を発する任意の照明２１と、任意の照明２１から発せられたライン光を通過させるレンズ２２と、レンズ２２を通過した光を反射させるための大口径凹鏡２３と、レンズ２２を通過した光を大口径凹鏡２３に向かって透過させ、大口径凹鏡２３から反射された光を物体２５に向かって反射させるためのビームスプリッタ２４と、前記ビームスプリッタ２４からの反射光を入射させて任意の角度をなすように調節された物体２５及び前記物体２５から反射された光を受光するためのカメラ２６を備える。前記物体２５は、ＰＣＢやウェーハであってもよく、表面にバンプが形成されたものであってもよい。

以上において、ライン光を発する任意の照明は主として光を発散する発光部に半球状レンズを用いて製作することが一般的であるが、本発明においてはその詳細な説明を省く。
以上において、任意の照明２１から発せられたライン光を通過させるレンズ２２は、ライン光の広がり角度を調整するための構成要素であるため、必要に応じて脱着可能である。

ここで、物体２５とビームスプリッタ２４は物体２５に入射するライン光が任意の角度ｂをなすように設けられている。また、物体２５とカメラ２６も物体２５から反射された光が任意の角度ａをなしてカメラ２６に受光されるように設けられている。このとき、物体２５に照明されるライン光のイメージをカメラ２６から得ることができる。以上において、任意の角度ａ、ｂは反射の方式に即して形成されるということは言うまでもない。

ここで、角度ａと角度ｂは任意の角度であるが、もし、角度ａと角度ｂが互いに同じである場合には正反射を通じてイメージを得るため、比較的に少ない光量でも測定映像を得ることができ、特定の照明源に制限されない。

また、ライン光は特定の厚さと長さを有し、厚さは調節可能である。すなわち、大口径凹鏡を用いた照明装置は照明とレンズの位置を調整してライン光の厚さを容易にコントロールすることができる。

ここで、ライン光とは、図１の地面と垂直方向にライン状を有する光をいい、そのラインは所定の厚さを維持する。
ここで、大口径凹鏡とは、カメラのイメージ取得領域、すなわち、イメージを取得する領域に対応する実際領域のサイズよりも大きな口径を有する凹鏡であり、これを本発明においては大口径凹鏡と称する。

また、ここで、任意の角度は、光の損失を極力抑えるためには４５°が好ましいが、装置のレイアウトから、３０°〜６０°であることが好ましく、特定の角度に制限することはない。

図２中、任意の照明２１はライン光を出射する。ライン光はレンズ２２を通過してビームスプリッタ２４を透過した後、大口径凹鏡２３に入射する。大口径凹鏡２３の凹面に入射した入射光は凹面から反射されてビームスプリッタ２４に入射する。ビームスプリッタ２４は入射されたライン光を反射させて物体２５に向かって任意の角度ｂをなすようにして出射する。ビームスプリッタ２４から反射されたライン光は物体２５の表面に照明されて任意の角度ｂにてカメラ２６に向かって反射される。ここで、物体２５に照射されるライン光は特定の厚さと長さを有し、厚さと長さを調節することができる。カメラ２６は物体２５から反射された光を受光してイメージを取得する。

図３は、図２の大口径凹鏡に向かうライン光の光路を示す図である。
任意の照明２１から発せられたライン光は、発散状にレンズ２２に入射する。また、前記レンズ２２を通過したライン光は発散状にビームスプリッタ２４を透過して発散光として大口径凹鏡２３に入射する。大口径凹鏡２３は発散光を入射させてビームスプリッタ２４に向かって反射させるが、このとき、大口径凹鏡２３から反射された光は収束状にビームスプリッタ２４に入射する。ビームスプリッタ２４は入射する収束光を反射させて物体２５に向かって出射させるが、このときにも物体２５に向かって収束する形態の収束光が形成される。

ここで、照明２１とレンズ２２との距離Ｌ若しくは大口径凹鏡２３とレンズ２２との距離Ｍを調節すれば、ライン光の厚さＮを調節することができるが、これは、測定時におけるバンプのサイズ若しくは表現形態によって測定精度を高める上で重要である。

本発明においては、照明２１とレンズ２２との距離Ｌ若しくは大口径凹鏡２３とレンズ２２との距離Ｍを調節するために、照明２１、レンズ２２、大口径凹鏡２３にはそれぞれまたは一部に距離調整装置を設けて距離Ｌ、Ｍを調節する。

このとき、物体２５の表面にバンプが形成されていると想定したとき、バンプの測定領域に大口径凹鏡の使用により収束光が物体に入射しながら十分な光量が届いて明確な映像を取得することができ、このような映像を通じて形状を決定することから、正確な形状を測定することが可能になる。このようなバンプ映像の一例は、図４Ｂに示す。

図４Ｂは、取得されたバンプ映像の一例を示す画面状態図である。物体２５の上部表面にバンプが形成された状態であるとすれば、カメラ２６から取得されたバンプ映像を示す。

図４Ｂから明らかなように、図４Ａに比べてバンプの測定領域が広くなるにつれて十分な光量が物体に届いて明確な映像を得ることができ、結果的に、正確な形状を測定することができる。

本発明の理解への一助となるために、物体に収束光と発散光が達するとき、バンプから反射される光の形態を図５Ａ及び図５Ｂに基づいて説明する。
図５Ａは、バンプが存在する物体に発散光の形で物体に入射されるときバンプから反射される光の形態を示すものである。同図から明らかなように、バンプから反射される光が発散されることから、バンプの周縁部に正確な映像が取得され難いということを予測することができ、これは、実際システムにおいて取得した映像である図４Ａから確認することができる。

図５Ｂは、バンプが存在する物体に収束光の形で入射するときにバンプから反射される光の形態を示すものである。バンプから反射される光が収束されるため、バンプの周縁部が発散する場合（図５Ａ参照）に比べてより正確な映像を取得可能であることを予測することができ、これは、実際のシステムにおいて取得した映像である図４Ｂから確認することができる。

２１：任意の照明、
２２：レンズ、
２３：大口径凹鏡、
２４：ビームスプリッタ、
２５：物体、
２６：カメラ、

Claims (8)

1. 物体の表面数値化のための三角測量装置において、
   ライン光を発する任意の照明と、
   前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体の表面に向かって反射させるための大口径凹鏡と、
   前記物体から反射された光を受光するためのカメラと、
   を備えることを特徴とする大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
2. 前記ライン光を発する任意の照明と前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体の表面に向かって反射させる大口径凹鏡との間にはビームスプリッタがさらに配備されて正確に物体に向かって反射させることを特徴とする請求項１に記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
3. 前記ライン光を発する任意の照明と前記任意の照明から発せられたライン光を前記物体に向かって反射させるためのビームスプリッタとの間には前記ライン光の広がり角度を調整するレンズがさらに配備されることを特徴とする請求項２に記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
4. 前記物体とビームスプリッタは、前記物体に落下するライン光が任意の角度（ｂ）をなすように配備されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
5. 前記物体とカメラは、物体から反射された光が任意の角度（ａ）をなしてカメラに受光されるように配備されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
6. 前記大口径凹鏡は、前記レンズから発散するような発散光を入射させて前記ビームスプリッタに向かって収束するような収束光を反射させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
7. 前記大口径凹鏡の直径は、カメラのイメージ取得領域に対応する実際領域のサイズよりも大口径を有することを特徴とする請求項６に記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。
8. 前記照明と前記レンズとの距離を変化させたり、前記大口径凹鏡（２３）と前記レンズとの距離を変化させてライン光の厚さを調整することを特徴とする請求項３に記載の大口径凹鏡を用いた三角測量装置。