JP2793931B2 - Light two-dimensional measuring method, surface roughness measuring method and measuring device - Google Patents

Light two-dimensional measuring method, surface roughness measuring method and measuring device

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JP2793931B2
JP2793931B2 JP19314392A JP19314392A JP2793931B2 JP 2793931 B2 JP2793931 B2 JP 2793931B2 JP 19314392 A JP19314392 A JP 19314392A JP 19314392 A JP19314392 A JP 19314392A JP 2793931 B2 JP2793931 B2 JP 2793931B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、たとえばレーザビーム
等の光の位置や広がりを二次元的に測定し演算決定する
測定方法に関し、またこの光の広がりの測定方法の一つ
の応用例として、金属板等の測定対象となる物体表面の
表面粗さをレーザビームやLED等の光の反射光をCC
D等の二次元光センサにより測定し演算決定する表面粗
さ測定方法とその測定装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring method for two-dimensionally measuring and calculating the position and spread of light, such as a laser beam, and as one application example of this light spread measuring method. Measure the surface roughness of the surface of the object to be measured, such as a metal plate, using the reflected light of a laser beam or LED, etc.
The present invention relates to a surface roughness measuring method for measuring and calculating with a two-dimensional optical sensor such as D and a measuring device therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ等を用いた種々の光学的計測法で
は、光の位置や広がりの測定を必要とするものが多く、
従来、たとえばレーザビームの位置の決定には、レーザ
の一次元的光強度分布曲線の半価幅中点や、二値化法に
よって決定された最大強度の位置が用いられており、ま
たレーザビームの広がりの決定には、一次元的光強度分
布曲線の半価幅が最も広く用いられている。また、金属
板等の測定対象となる物体表面の表面粗さは、その物体
表面に触針を摺接させる、いわゆる触針式が通常用いら
れ、特に表面の柔らかい材料に対してその表面を損傷し
たり測定時間がかかるといった触針式の問題点を解消す
る方式として、上述した光学的非接触測定方法が利用さ
れている。
2. Description of the Related Art Many optical measurement methods using a laser or the like require measurement of the position and spread of light.
Conventionally, for example, the position of the laser beam is determined by using the half-width midpoint of the one-dimensional light intensity distribution curve of the laser or the position of the maximum intensity determined by the binarization method. The half width of a one-dimensional light intensity distribution curve is most widely used to determine the spread of the light. The surface roughness of the surface of an object to be measured, such as a metal plate, is generally measured by a so-called stylus type in which a stylus is slid in contact with the surface of the object. The above-mentioned optical non-contact measurement method is used as a method for solving the problem of the stylus type such as rubbing and measurement time.

【0003】すなわち、測定対象となる物体表面に光を
照射させ、この物体表面からの反射光の反射強度分布曲
線の広がりを示す半価幅や標準偏差を、フォトトランジ
スタやCdS素子等の単一の光センサを移動させること
によって求めるものである。こうした測定方法は、物体
の表面を損傷することがない利点を有するものの、反射
光強度分布曲線の半価幅や標準偏差の測定には、この分
布曲線全体を測定せねばならず、このため単一構造の光
センサを測定エリア中で移動する必要があり、構成の複
雑化とともに測定時間がかかるという問題がある。
That is, the surface of an object to be measured is irradiated with light, and the half-value width and the standard deviation indicating the spread of the reflection intensity distribution curve of the reflected light from the object surface are determined by a single unit such as a phototransistor or a CdS element. Is determined by moving the optical sensor. Although such a measurement method has the advantage of not damaging the surface of an object, the measurement of the full width at half maximum and the standard deviation of the reflected light intensity distribution curve requires measurement of the entire distribution curve, and therefore simply requires the measurement. It is necessary to move the optical sensor having one structure in the measurement area, and there is a problem that the configuration becomes complicated and measurement time is required.

【0004】本発明者は、すでにこうした問題を解消す
ることを目的に一次元ガウス関数で反射光強度分布曲線
のピーク付近を近似させ、このガウス関数の標準偏差
(これをガウス曲線パラメータと呼ぶ)を求めて物体表
面の表面粗さを決定する測定方法につき、特願平2−6
843号(特開平3−211406号)にて提案した。
この方法は、物体表面からの反射光強度分布を一次元光
センサで測定し、この強度分布曲線のピーク付近を一次
元ガウス関数で近似し、このガウス関数の広がりを表す
ガウス曲線パラメータを所定の演算式により3点以上の
反射強度の測定点から求め、このガウス曲線パラメータ
と予め関係づけられた中心線平均粗さデータとを対比さ
せることにより物体表面の表面粗さを求めるものであ
る。
The inventor has already approximated the vicinity of the peak of the reflected light intensity distribution curve with a one-dimensional Gaussian function for the purpose of solving such a problem, and has standard deviation of this Gaussian function (this is called a Gaussian curve parameter). The method for determining the surface roughness of the object surface by calculating
No. 843 (JP-A-3-211406).
This method measures the intensity distribution of reflected light from the object surface with a one-dimensional optical sensor, approximates the vicinity of the peak of the intensity distribution curve with a one-dimensional Gaussian function, and sets a Gaussian curve parameter representing the spread of the Gaussian function to a predetermined value. The surface roughness of the object surface is obtained by calculating from three or more measurement points of the reflection intensity using an arithmetic expression, and comparing the Gaussian curve parameter with the center line average roughness data associated in advance.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
方法では表面粗さの測定時間が演算による結果かなり短
くなるという利点を有するものの、ライン状の受光素子
列による光の一次元分布を測定するものであり、光の本
来持つ二次元的広がりにおける強度分布については、光
センサそのものの配置位置を変更しての測定演算の繰り
返しを余儀なくされていた。従って、この方法で二次元
分布を測定するためには、測定対象物体に対する機械的
駆動機構等の装置の複雑化を招くだけでなく、反射光の
受光ステップから演算処理にいたる測定行程が何回にも
及び、測定時間がかかるという問題を有していた。
However, although the above method has an advantage that the measurement time of the surface roughness is considerably shortened by the calculation, the method of measuring the one-dimensional distribution of light by the linear light receiving element array is used. With respect to the intensity distribution in the two-dimensional spread of light inherently, it has been necessary to repeat the measurement calculation by changing the arrangement position of the optical sensor itself. Therefore, in order to measure the two-dimensional distribution by this method, not only does the device such as a mechanical drive mechanism for the object to be measured become complicated, but also the number of measurement steps from the step of receiving the reflected light to the arithmetic processing is required. In addition, there is a problem that the measurement time is required.

【0006】本発明は、上記問題点の解消につき、本発
明者が研究と実験を重ねてきた結果成されたもので、そ
の目的は、光の二次元的位置と広がりを同時に測定し得
る測定方法とともに、この測定を簡易なデータ処理によ
り実現し得る光の二次元測定方法を提供することにあ
る。また、この光の広がりの測定方法の一つの応用例と
して、物体表面の直交する二方向の表面粗さを同時に測
定する方法と測定装置を提供することにある。
[0006] The present invention has been made as a result of repeated research and experiments by the present inventors to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a measurement capable of simultaneously measuring the two-dimensional position and spread of light. It is another object of the present invention to provide a two-dimensional light measuring method that can realize this measurement by simple data processing. Another application of the method for measuring the spread of light is to provide a method and a measuring apparatus for simultaneously measuring the surface roughness of an object surface in two orthogonal directions.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、光源もしくは
反射体からの反射光をCCD等の二次元光センサによ
り、その光強度分布に応じたx,y座標の値として検出
するとともに、このx−y平面における光の強度分布を
二次元ガウス関数で近似させ、上記二次元センサのx−
y平面に配した複数の受光画素列の出力に基づくデジタ
ルデータを上記二次元ガウス関数のx,y座標データと
して取り込み、このガウス関数の主軸のx,y座標を所
定演算式によって求めることにより、上記光の位置を決
定し、上記二次元ガウス関数のx,y座標に関する各々
の標準偏差を求めることにより、上記光のx−y平面に
おける互いに直交する二方向の広がりを決定することを
特徴とする。
According to the present invention, light reflected from a light source or a reflector is detected by a two-dimensional optical sensor such as a CCD as x and y coordinate values corresponding to the light intensity distribution. The light intensity distribution on the xy plane is approximated by a two-dimensional Gaussian function, and the x-
Digital data based on the outputs of the plurality of light receiving pixel arrays arranged on the y plane is taken as x, y coordinate data of the two-dimensional Gaussian function, and the x, y coordinates of the main axis of the Gaussian function are obtained by a predetermined arithmetic expression. Determining the position of the light and determining each standard deviation of the two-dimensional Gaussian function with respect to x and y coordinates, thereby determining the spread of the light in two directions orthogonal to each other on the xy plane. I do.

【0008】また、本発明は、上記二次元ガウス関数の
主軸のx,y座標あるいはx,y座標に関する各々の標
準偏差を、きわめて簡単な演算式の導きにより、迅速に
求めることで、光の二次元的位置と広がりを安価な装置
で算出し得る演算方式に特徴を有する。
The present invention also provides a method for obtaining the x, y coordinates or the respective standard deviations of the x, y coordinates of the principal axes of the two-dimensional Gaussian function quickly by deriving a very simple arithmetic expression, thereby obtaining the light of light. It is characterized by an arithmetic method that can calculate the two-dimensional position and spread with an inexpensive device.

【0009】さらに、本発明は、二次元ガウス関数の標
準偏差を用いて測定した二次元的光強度分布曲線の広が
りを求める上記方法の一つの応用例として、測定対象と
なる物体表面に光を照射し、この物体表面からの反射光
をCCD等の二次元光センサにおけるx−y平面に配し
た複数の受光画素列により受光するとともに、このx−
y平面における反射光強度分布を二次元ガウス関数に近
似して表し、上記二次元光センサの受光画素列の出力に
対応したデジタル変換データに基づき、上記二次元ガウ
ス関数のx,y座標に関する各々の標準偏差を求め、こ
の標準偏差にて反射光強度分布曲線の広がりを決定し、
これにより物体表面の互いに直交する二方向の表面粗さ
を同時に求めることを特徴とする。
Further, the present invention is an application of the above-described method for obtaining the spread of a two-dimensional light intensity distribution curve measured using the standard deviation of a two-dimensional Gaussian function. Irradiation, reflected light from the object surface is received by a plurality of light receiving pixel rows arranged on an xy plane in a two-dimensional optical sensor such as a CCD,
The reflected light intensity distribution on the y plane is represented by approximating a two-dimensional Gaussian function, and based on digital conversion data corresponding to the output of the light receiving pixel array of the two-dimensional optical sensor, each of the x- and y-coordinates of the two-dimensional Gaussian function is determined. Of the reflected light intensity distribution curve is determined by this standard deviation,
Thereby, the surface roughness of the object surface in two directions perpendicular to each other is simultaneously obtained.

【0010】また、本発明になる表面粗さ測定装置は、
測定対象である物体表面に光を照射する照射光源と、上
記物体表面からの反射光を受光し得る位置に配置された
CCD等の二次元光センサと、この二次元光センサにお
けるx−y平面に配した複数の受光画素列から出力され
るアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ/デ
ジタル変換器と、このアナログ/デジタル変換器で変換
されたデジタルデータに基づく上記物体表面の粗さに対
応する反射光強度分布曲線を、そのx,y座標における
二次元ガウス関数で近似させ、このガウス関数のx,y
座標に関する標準偏差を所定の演算式により各々求め、
この標準偏差に基づき上記物体表面の粗さを算出する演
算手段とを具備することを特徴とするものである。
Further, the surface roughness measuring device according to the present invention comprises:
An irradiation light source for irradiating light to an object surface to be measured, a two-dimensional optical sensor such as a CCD arranged at a position capable of receiving reflected light from the object surface, and an xy plane in the two-dimensional optical sensor And an analog / digital converter for converting an analog signal output from the plurality of light receiving pixel columns arranged into a digital signal into a digital signal, and corresponding to the roughness of the object surface based on the digital data converted by the analog / digital converter. The reflected light intensity distribution curve is approximated by a two-dimensional Gaussian function at the x, y coordinates, and the x, y
The standard deviation for the coordinates is obtained by a predetermined arithmetic expression,
Calculating means for calculating the roughness of the object surface based on the standard deviation.

【0011】[0011]

【作用】上記のごとき光の二次元測定方法によれば、光
源もしくは反射体からの反射光をCCD等の二次元光セ
ンサにより受光し、そのx−y平面における光の強度分
布を二次元ガウス関数で近似させ、上記二次元光センサ
の受光画素列の出力に対応した光強度を表すデジタルデ
ータを上記二次元ガウス関数のx,y座標データとして
取り込み、このガウス関数の主軸のx,y座標を所定の
演算式によって求めることにより、また二次元ガウス関
数のx,y座標に関する各々の標準偏差を所定の演算式
によって求めることにより、x−y平面における光の位
置あるいは光の広がりを容易に求めることが可能とな
る。また、上記のごとき表面粗さ測定方法および測定装
置によれば、測定対象としての物体表面で反射した反射
光をCCD等の二次元光センサにより受光し、この検出
結果としてのアナログ/デジタル変換データに基づく上
記物体表面の粗さに対応する反射光強度分布曲線を、そ
のx,y座標における二次元ガウス関数で近似させ、こ
のガウス関数のx,y座標に関する標準偏差を演算手段
による所定の演算式で求め、この標準偏差に基づいて上
記物体表面の粗さを算出することにより、容易に測定対
象としての物体表面の表面粗さを求めるとことができ
る。すなわち、あらかじめ表面粗さ標準試験片などを用
いて求めた上記標準偏差と触針式表面粗さ測定機による
中心線平均粗さなどの粗さ値との関係を表す図または式
を用いて、上記の方法で光学的に求めた標準偏差から表
面粗さを求めることができる。
According to the above two-dimensional light measuring method, light reflected from a light source or a reflector is received by a two-dimensional optical sensor such as a CCD, and the intensity distribution of the light in the xy plane is two-dimensional Gaussian. Digital data representing the light intensity corresponding to the output of the light receiving pixel array of the two-dimensional optical sensor is taken in as x, y coordinate data of the two-dimensional Gaussian function, and the x, y coordinates of the main axis of the Gaussian function are approximated by a function. Is obtained by a predetermined arithmetic expression, and the respective standard deviations of the two-dimensional Gaussian function with respect to the x and y coordinates are obtained by a predetermined arithmetic expression, so that the position or spread of light on the xy plane can be easily determined. It is possible to ask. Further, according to the surface roughness measuring method and the measuring apparatus as described above, the reflected light reflected on the surface of the object to be measured is received by a two-dimensional optical sensor such as a CCD, and the analog / digital conversion data as the detection result is obtained. Is approximated by a two-dimensional Gaussian function at the x and y coordinates, and a standard deviation of the Gauss function with respect to the x and y coordinates is calculated by a calculation means. The surface roughness of the object surface as a measurement target can be easily obtained by calculating the surface roughness of the object based on the formula and calculating the surface roughness based on the standard deviation. In other words, using a diagram or an expression representing the relationship between the standard deviation and the roughness value such as the center line average roughness measured by a stylus type surface roughness measuring device using a surface roughness standard test piece or the like in advance, The surface roughness can be obtained from the standard deviation obtained optically by the above method.

【0012】[0012]

【実施例】本発明における光の二次元測定方法は、基本
的には実際のレーザビーム等の光強度が理論上二次元ガ
ウス分布をなしていることに着目し、この光強度分布を
CCDのような二次元光センサで測定するとともに、こ
の二次元光センサのx−y平面に配した複数の受光画素
列の出力に対応したデジタルデータを利用して光強度分
布を表す二次元ガウス関数を決定し、この二次元ガウス
関数の主軸のx−y平面における位置と標準偏差から光
の二次元的位置と広がりとを求めるものであり、特に最
小自乗法によって二次元ガウス関数を迅速に求める演算
式を導き、高価な高速演算処理装置を必要とすることな
く光の二次元的位置と広がりを上記二次元ガウス関数の
主軸と標準偏差の演算で求め得るようにしたものであ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The two-dimensional light measuring method according to the present invention focuses on the fact that the actual light intensity of a laser beam or the like has a two-dimensional Gaussian distribution theoretically, and this light intensity distribution is measured by a CCD. While measuring with such a two-dimensional optical sensor, a two-dimensional Gaussian function representing a light intensity distribution is obtained using digital data corresponding to the outputs of a plurality of light receiving pixel arrays arranged on the xy plane of the two-dimensional optical sensor. To determine the two-dimensional position and spread of light from the position and standard deviation of the principal axis of the two-dimensional Gaussian function in the xy plane, and in particular, to quickly calculate the two-dimensional Gaussian function by the least squares method The formula is derived so that the two-dimensional position and spread of light can be obtained by calculating the main axis and standard deviation of the two-dimensional Gaussian function without requiring an expensive high-speed arithmetic processing device.

【0013】また、本発明における表面粗さ測定方法と
測定装置は、上記光の二次元測定方法の原理を基礎とし
て、測定対象としての物体表面への光の照射による表面
からの反射光をやはりCCD等の二次元光センサで受光
するとともに、この二次元光センサの受光画素列の出力
に対応したデジタルデータを利用して反射光の光強度分
布を二次元ガウス関数で近似し、このガウス関数のx,
y座標における各々の標準偏差を演算手段で演算するこ
とにより求め、この二次元の標準偏差に基づいて互いに
直交する二方向の反射光強度分布曲線の広がりを数値的
に導き、これにより物体表面の直交する二方向の表面粗
さを容易に測定可能とするものである。
Further, the surface roughness measuring method and the measuring apparatus according to the present invention, based on the principle of the above-described two-dimensional light measuring method, also reflect light reflected from the surface by irradiating the surface of the object to be measured with light. Light is received by a two-dimensional light sensor such as a CCD, and the light intensity distribution of the reflected light is approximated by a two-dimensional Gaussian function using digital data corresponding to the output of the light receiving pixel array of the two-dimensional light sensor. X,
The respective standard deviations in the y coordinate are obtained by calculation by the calculating means, and based on the two-dimensional standard deviations, the spreads of the reflected light intensity distribution curves in two directions orthogonal to each other are numerically derived. The surface roughness in two orthogonal directions can be easily measured.

【0014】すなわち、物体表面からの反射光強度分布
曲線は、表面粗さが大きくなるほど広がることから、こ
の広がり状態から近似的に表面粗さを測定することので
きるいわゆる光散乱法による表面粗さ測定方法であっ
て、上記光の二次元測定法の理論と同様に、光強度分布
が理論上二次元ガウス関数となることからその反射光も
ほぼ同一の関数型になることに着目し、反射光強度分布
をCCDのような二次元光センサで測定してこれから光
強度分布を表す二次元ガウス関数を利用するものであ
る。
That is, since the intensity distribution curve of the reflected light from the surface of the object spreads as the surface roughness increases, the surface roughness is measured by the so-called light scattering method, from which the surface roughness can be measured approximately. In the measurement method, similar to the theory of the two-dimensional measurement method of light, the light intensity distribution is theoretically a two-dimensional Gaussian function, so that the reflected light has almost the same function type, The light intensity distribution is measured by a two-dimensional optical sensor such as a CCD, and a two-dimensional Gaussian function representing the light intensity distribution is used.

【0015】以下、本発明になる光の二次元測定方法お
よび表面粗さ測定方法と測定装置の詳細につき、その演
算理論と実験に基づいて説明する。本発明の測定方法
は、基本的には二次元ガウス関数のx,y座標における
主軸の座標と標準偏差とを、CCDのような二次元光セ
ンサで受光した光の強度分布に対応するx−y平面の座
標に対するデジタルデータに基づく演算処理によって求
めるため、その方法を確認する装置としては共通に構成
できることから、その測定対象を、He−Neレーザビ
ームと金属試験片表面で反射したLED光源からの光に
て説明する。
The details of the two-dimensional light measuring method, the surface roughness measuring method, and the measuring device according to the present invention will be described below based on the calculation theory and experiments. The measurement method of the present invention basically uses the two-dimensional Gaussian function to determine the coordinates of the main axis and the standard deviation in the x and y coordinates of x-y corresponding to the intensity distribution of light received by a two-dimensional optical sensor such as a CCD. Since it is obtained by arithmetic processing based on digital data with respect to the coordinates of the y plane, it can be configured in common as a device for confirming the method, so that the measurement target is a He-Ne laser beam and an LED light source reflected by the surface of the metal test piece. The light will be described.

【0016】図1は、本発明の光の二次元測定方法を実
施し得、かつ表面粗さ測定装置として機能し得る最も基
本的実施例を示すブロック図である。この図において
は、光強度分布を目視的に確認するための実験的に付加
したビジュアル装置CRTを接続しているが本発明の測
定方法とは直接関係するものではない。図1において、
1は測定対象である物体表面に光を照射するための照射
光源であり、LED光源2を内部に有し、その光路上に
レンズ3を設けて物体の測定表面へ光を照射する。4は
測定対象としての物体の試験材料として配置した金属試
験片であり、この試験片4の表面に照射光源1からの光
を当て、その反射光から試験片4の表面粗さに対応した
光強度分布を得るものである。
FIG. 1 is a block diagram showing the most basic embodiment capable of implementing the light two-dimensional measuring method of the present invention and functioning as a surface roughness measuring device. In this figure, an experimentally added visual device CRT for visually confirming the light intensity distribution is connected, but is not directly related to the measuring method of the present invention. In FIG.
Reference numeral 1 denotes an irradiation light source for irradiating light to the surface of an object to be measured. The irradiation light source 1 has an LED light source 2 therein. Reference numeral 4 denotes a metal test piece arranged as a test material of an object to be measured. Light from the irradiation light source 1 is applied to the surface of the test piece 4 and light corresponding to the surface roughness of the test piece 4 is obtained from the reflected light. This is to obtain an intensity distribution.

【0017】5はCCDビデオカメラであり、試験片4
の表面で反射した反射光を半透明プラスチック板6を通
してその反射光強度分布を測定する。ここで、試験片4
上に照射する円形の光の直径は、LED2の直径(5m
m)にほぼ等しくとった。7はHe−Neレーザビーム
の点光源であり、上記反射光強度分布を用いた試験片4
の表面粗さ測定装置に対し、光の二次元測定による光の
位置と広がりを測定するための被測定物として設けてい
る。従って、CCDビデオカメラ5に対しての試験片4
およびレーザ光源7の相対位置は、各々の実験において
任意に選択あるいは置換すればよい。
Reference numeral 5 denotes a CCD video camera,
The reflected light reflected on the surface of the sample is transmitted through the translucent plastic plate 6 and the intensity distribution of the reflected light is measured. Here, test piece 4
The diameter of the circular light illuminated on the top is the diameter of LED2 (5 m
m). Reference numeral 7 denotes a point light source of a He-Ne laser beam, and a test piece 4 using the reflected light intensity distribution.
Is provided as an object to be measured for measuring the position and spread of light by two-dimensional measurement of light. Therefore, the test piece 4 with respect to the CCD video camera 5
The relative position of the laser light source 7 may be arbitrarily selected or replaced in each experiment.

【0018】8はCCDビデオカメラ5のビデオ信号出
力に接続されたアナログ/デジタル変換器(以下A/D
変換器という)であり、CCDビデオカメラ5における
x−y平面に対応した512 ×512 画素にて受光されたビ
デオ信号がデジタルデータに変換される。従って、この
デジタルデータはx−y平面上の座標(x,y)の光強
度分布に応じた大きさとなり、たとえば1フレームを25
6 分解能のデジタルデータとして出力する。また、CC
Dビデオカメラ5の受光面内で測定する対象光の中心を
含む所定の測定領域を座標指定により選択決定し、その
領域内での光強度分布に対応するデジタルデータをサン
プリングすることもできる。
Reference numeral 8 denotes an analog / digital converter (hereinafter A / D) connected to the video signal output of the CCD video camera 5.
A video signal received at 512 × 512 pixels corresponding to the xy plane in the CCD video camera 5 is converted into digital data. Therefore, this digital data has a size corresponding to the light intensity distribution at the coordinates (x, y) on the xy plane.
Output as 6-resolution digital data. Also, CC
A predetermined measurement area including the center of the target light to be measured in the light receiving surface of the D video camera 5 can be selected and determined by specifying coordinates, and digital data corresponding to the light intensity distribution in that area can be sampled.

【0019】9は演算処理装置であり、一般的なパーソ
ナルコンピュータを用いることができ、A/D変換器8
からのデジタルデータを読み込み後述する演算式に基づ
いて光の位置や広がり、あるいは試験片4の表面粗さを
表示する各種値を演算する。この演算処理装置9は、通
常の諸機構を内蔵しており、たとえばA/D変換器8か
らのデジタルデータを一時記憶保持するメモリ、データ
の書き込み読み出しや演算タイミングさらには演算結果
をプリンタ10にてプリントアウトする各種命令を実行す
るプロセッサ等から成る。
Reference numeral 9 denotes an arithmetic processing unit, which can use a general personal computer, and an A / D converter 8
And calculates various values indicating the position and spread of the light or the surface roughness of the test piece 4 based on an arithmetic expression described later. The arithmetic processing unit 9 incorporates ordinary mechanisms, for example, a memory for temporarily storing and holding digital data from the A / D converter 8, data writing / reading, arithmetic timing, and arithmetic results to the printer 10. And a processor for executing various instructions for printing out.

【0020】また、CCDビデオカメラ5のビデオ信号
出力には、イメージ処理装置11およびビジュアル確認の
ためのCRT12が接続されており、CCDビデオカメラ
5で測定された光の強度分布を任意の視覚映像によって
映し出すことができるようにしてある。たとえば、イメ
ージ処理装置11に上記演算処理装置9と同等のデータ処
理機能を内蔵し、あるいはCRT12への表示信号を演算
処理装置9を介して供給するようにし、CCDビデオカ
メラ5の512 ×512 画素データを256 段階の強度に変換
して演算処理するように構成するとともに、表示イメー
ジに合わせた映像信号に変換することで、測定した光の
強度分布を任意のイメージにて表示することができる。
An image processing device 11 and a CRT 12 for visual confirmation are connected to the video signal output of the CCD video camera 5, and the light intensity distribution measured by the CCD video camera 5 can be converted into an arbitrary visual image. It can be projected by. For example, the image processing device 11 has a built-in data processing function equivalent to that of the arithmetic processing device 9, or a display signal to the CRT 12 is supplied through the arithmetic processing device 9, and the 512 × 512 pixels of the CCD video camera 5 are provided. By converting the data into 256 levels of intensity and performing arithmetic processing, and converting the data into a video signal that matches the display image, the measured light intensity distribution can be displayed as an arbitrary image.

【0021】上記構成の測定装置による光の二次元測定
方法と試験片4の表面粗さ測定方法について説明する。
まず、本発明の基本的理論としての光の位置と広がりを
測定するための演算式を求める。本発明において、CC
Dのような二次元光センサによってx−y平面における
光の強度分布をx,y座標で表現するための、最小自乗
法による二次元ガウス関数を求める。x−y平面におけ
る光の強度分布I(x,y)を、次式の二次元ガウス関
数で表す。 I(x,y)=Aexp(−ax2 +bx−cy2 +dy) ・・・(1) ただし、A,a,bは正の定数、b,dは任意の定数で
ある。最小自乗法を適用するため、式(1)の両辺の対
数をとると、 Z=lnI(x,y)=−ax2 +bx−cy2 +dy+e ・・・(2) ただし、e=lnAとなり、式(1)のガウス関数の主
軸のx,y座標をpx ,py とすると、 px =b/(2a),py =d/(2c) ・・・(3) となる。また、式(1)のガウス関数のxとy座標に関
する標準偏差は、統計学の理論により、 σx =1/√(2a),σy =1/√(2c) ・・・(4) で与えられる。すなわち、光の強度分布を表す式(1)
の二次元ガウス関数の位置を表す主軸の位置と、広がり
を表す標準偏差は、式(1)の係数a,b,c,dから
求めることができる。
A method for two-dimensionally measuring light and a method for measuring the surface roughness of the test piece 4 using the measuring apparatus having the above configuration will be described.
First, an arithmetic expression for measuring the position and spread of light as a basic theory of the present invention is obtained. In the present invention, CC
A two-dimensional Gaussian function by the least squares method for expressing the light intensity distribution on the xy plane by x and y coordinates by a two-dimensional optical sensor such as D is obtained. The light intensity distribution I (x, y) on the xy plane is represented by the following two-dimensional Gaussian function. I (x, y) = Aexp (−ax 2 + bx−cy 2 + dy) (1) where A, a and b are positive constants, and b and d are arbitrary constants. In order to apply the least squares method, taking the logarithm of both sides of equation (1), Z = lnI (x, y) = − ax 2 + bx−cy 2 + dy + e (2) where e = lnA. Assuming that the x and y coordinates of the principal axes of the Gaussian function of the equation (1) are p x and p y , p x = b / (2a), p y = d / (2c) (3) The standard deviation of the Gaussian function of the formula (1) with respect to the x and y coordinates is calculated as follows: σ x = 1 / √ (2a), σ y = 1 / √ (2c) (4) Given by That is, equation (1) representing the light intensity distribution
Of the main axis representing the position of the two-dimensional Gaussian function and the standard deviation representing the spread can be obtained from the coefficients a, b, c, and d of equation (1).

【0022】本発明の特徴は、光の強度分布を二次元光
センサによってx−y平面のx,y座標に対応するデジ
タルデータとして取り込み、二次元ガウス関数で近似さ
せるとともに、この二次元ガウス関数の主軸の座標を光
の位置として求め、あるいは、二次元ガウス関数のx,
y座標に関する各々の標準偏差を光の広がりとして求
め、さらには、この標準偏差に基づいて物体の表面粗さ
を求めることにあるが、1つには従来計算が複雑なため
に光強度分布の測定に用いられていなかった二次元ガウ
ス関数を迅速に求める演算式を導いたことにも特徴を有
するため、以下に上記式(3)における主軸の座標
x ,py と式(4)における標準偏差σx ,σy を最
小自乗法によって簡単に求め得る演算式の求め方につき
説明する。まず二次元光センサのx−y平面に配列した
複数の受光画素列の1つの画素のx,y座標を(xi
j )(i,j=1〜n)とし、この画素の出力に基づ
く光強度のデータ(デジタル変換データ)をI(xi
j )とする。ただし、nは二次元光センサのxとy方
向の画素の数、または最小自乗法によって式(1)の係
数を計算するときに用いるxとy方向の光強度のデータ
の数である。n×n個のデータI(xi ,yj )(i,
j=1〜n)から式(1)の係数を最小自乗法を用いて
直接計算することはできないので、両辺の対数をとった
式(2)を用いるが、I(xi ,yj )に対応する式
(2)のzを、zij=lnI(xi ,yj )とすると
き、n×n個のデータ(xi ,yj ,zij)(i,j=
1〜n)に最小自乗法を用いて式(2)を求め、この式
(2)の係数から式(1)の二次元ガウス関数の係数を
求める。上記のような最小自乗法によって求めた式
(1)の係数から式(3)と式(4)を用いて求めた二
次元ガウス関数の主軸の位置と標準偏差はかなり複雑な
式となるが、これを巧妙に変形し整理することによっ
て、主軸の位置px ,py と標準偏差σx ,σy とを以
下に説明する簡単な式から求めることができる。
A feature of the present invention is that the intensity distribution of light is captured as digital data corresponding to the x and y coordinates on the xy plane by a two-dimensional optical sensor, and is approximated by a two-dimensional Gaussian function. The coordinates of the principal axis of are calculated as the position of light, or the two-dimensional Gaussian function x,
The standard deviation of the y coordinate is determined as the spread of light, and the surface roughness of the object is determined on the basis of the standard deviation. since having the characteristics also that led quickly determine arithmetic expression dimensional Gaussian function that has not been used in the measurement, the coordinate p x of the main shaft in the above formula (3), p y and equation (4) below A method for obtaining an arithmetic expression that can easily obtain the standard deviations σ x and σ y by the least square method will be described. First, the x and y coordinates of one pixel of a plurality of light receiving pixel arrays arranged on the xy plane of the two-dimensional optical sensor are represented by (x i ,
y j ) (i, j = 1 to n), and the light intensity data (digital conversion data) based on the output of this pixel is I (x i ,
y j ). Here, n is the number of pixels in the x and y directions of the two-dimensional optical sensor, or the number of light intensity data in the x and y directions used when calculating the coefficient of the equation (1) by the least square method. n × n pieces of data I (x i, y j) (i,
j = 1 to n), the coefficient of equation (1) cannot be directly calculated using the method of least squares. Therefore, equation (2) taking the logarithm of both sides is used, but I (x i , y j ) the z of the formula (2) corresponding to, z ij = lnI (x i , y j) when a, n × n pieces of data (x i, y j, z ij) (i, j =
Equations (1) to (n) are obtained by using the least squares method, and the coefficients of the two-dimensional Gaussian function of equation (1) are obtained from the coefficients of equation (2). Although the position of the main axis and the standard deviation of the two-dimensional Gaussian function obtained by using the equations (3) and (4) from the coefficients of the equation (1) obtained by the least square method as described above are considerably complicated equations. by artfully deformed organize this, the position p x of the spindle, p y and the standard deviation sigma x, and a sigma y can be determined from a simple equation which will be described below.

【0023】まず、CCDのような二次元光センサの受
光面は通常正方形であるから、受光面内のn×n個のエ
リア中におけるx−y平面内のx,y座標で表示される
画素点(xi ,yj )(i,j=1〜n)における光強
度の測定値I(xi ,yj )に対応する式(2)のzを
ijとし、残差自乗和をSとすれば、 S=ΣΣ(−axi 2 +bxi −cyj 2 +dyj +e−zij2 ただし、ΣΣはiとjについて1からnまでの二重和を
とることを示す。となり、最小自乗法の原理に基づいて
このSを最小とするように計算すると、 −nα4 a+nα3 b−α2 β2 c+α2 β1 d+nα2 e=ζ21 −nα3 a+nα2 b−α1 β2 c+α1 β1 d+nα1 e=ζ11 −α2 β2 a+α1 β2 b−nβ4 c+nβ3 d+nβ2 e=ξ21 −α2 β1 a+α1 β1 b−nβ3 c+nβ2 d+nβ1 e=ξ11 −nα2 a+nα1 b−nβ2 c+nβ1 d+n2 e=η と表すことができる。ただし、 α1 =Σxi ,α2 =Σxi 2 ,α3 =Σxi 3 ,α4
=Σxi 4 β1 =Σyj ,β2 =Σyj 2 ,β3 =Σyj 3 ,β4
=Σyj 4 ζ11=ΣΣxi ij,ζ12=ΣΣxi 2 ij ξ11=ΣΣyj ij,ξ21=ΣΣyj 2 ij η=ΣΣzijである。
First, since the light receiving surface of a two-dimensional optical sensor such as a CCD is usually a square, pixels represented by x, y coordinates in an xy plane in n × n areas in the light receiving surface. point (x i, y j) ( i, j = 1~n) measurements I (x i, y j) of the light intensity z of formula (2) corresponding to the z ij in the residual sum of squares if S, S = ΣΣ (-ax i 2 + bx i -cy j 2 + dy j + e-z ij) 2 However, Shigumashiguma indicates that taking a double sum from 1 for i and j to n. Next, calculated to the S minimized based on the principle of the least squares method, -nα 4 a + nα 3 b -α 2 β 2 c + α 2 β 1 d + nα 2 e = ζ 21 -nα 3 a + nα 2 b-α 1 β 2 c + α 1 β 1 d + nα 1 e = ζ 11 -α 2 β 2 a + α 1 β 2 b-nβ 4 c + nβ 3 d + nβ 2 e = ξ 21 -α 2 β 1 a + α 1 β 1 b-nβ 3 c + nβ 2 d + nβ it can be expressed as 1 e = ξ 11 -nα 2 a + nα 1 b-nβ 2 c + nβ 1 d + n 2 e = η. However, α 1 = Σx i, α 2 = Σx i 2, α 3 = Σx i 3, α 4
= Σx i 4 β 1 = Σy j, β 2 = Σy j 2, β 3 = Σy j 3, β 4
= Σy j 4 ζ 11 = ΣΣx i z ij, ζ 12 = ΣΣx i 2 z ij ξ 11 = ΣΣy j z ij, a ξ 21 = ΣΣy j 2 z ij η = ΣΣz ij.

【0024】ここで、二次元センサの受光面における各
画素のxとy方向の間隔をすべて等しくεとすると、上
記のαとβは、各々αm =βm (m=1〜4)と等しく
なる。また、xとy座標の原点をxi ,yj (i,j=
1〜n)の平均値xa ,yaに移動した後のxとy座標
を、簡単のためにこれまでと同一の記号xとyで表す
と、 x=x−xa ,y=y−yax =xa +b/(2a),py =ya +d/(2c) ・・・(5) となる。式(4)の標準偏差σx とσy は、このような
座標の平行移動によって値が変わらない。従って、この
ように座標を平行移動すると、 α1 =β1 =0,α3 =β3 =0 となる。この条件を上記式に代入すると次式を得る。 −nα4 a−α2 2 c+nα2 e=ζ21 −α2 2 a−nα4 c+nα2 e=ξ21 −nα2 a−nα2 c+n2 e=η b=ζ11/nα4 ,d=ξ11/nα2 ここで、ti =xi /εとおくと、 ti =i−(n+1)/2 (i=1,2,・・
・,n)となり、この結果α2 とα4 は各々、 α2 =Σxi 2 =ε2 Σti 2 =ε2 Σ(i−(n+1)/2)2 α4 =Σxi 4 =ε4 Σti 4 =ε4 Σ(i−(n+1)/2)2 となる。これを、自然数の累乗和の公式を用い計算する
と、 α2 =n(n2 −1)ε2 /12,α4 =α2 (3n2 −7)ε2 /20 と求まる。
Here, assuming that the intervals in the x and y directions of each pixel on the light receiving surface of the two-dimensional sensor are all equal to ε, the above α and β are respectively α m = β m (m = 1 to 4). Become equal. Also, the origins of the x and y coordinates are x i , y j (i, j =
Mean value x a of 1 to n), the x and y coordinates after moving to y a, is represented by the same symbols x, y and hitherto for simplicity, x = x-x a, y = y -y a p x = x a + b / (2a), a p y = y a + d / (2c) ··· (5). The values of the standard deviations σ x and σ y in Equation (4) do not change due to such parallel movement of the coordinates. Therefore, when the coordinates are translated in this manner, α 1 = β 1 = 0 and α 3 = β 3 = 0. By substituting this condition into the above equation, the following equation is obtained. -Nα 4 a-α 2 2 c + nα 2 e = ζ 21 -α 2 2 a-nα 4 c + nα 2 e = ξ 21 -nα 2 a-nα 2 c + n 2 e = η b = ζ 11 / nα 4, d = ξ 11 / nα 2 Here, assuming that t i = x i / ε, t i = i− (n + 1) / 2 (i = 1, 2,...)
·, N), and the each result alpha 2 and α 4, α 2 = Σx i 2 = ε 2 Σt i 2 = ε 2 Σ (i- (n + 1) / 2) 2 α 4 = Σx i 4 = ε 4 Σt i 4 = ε 4 Σ (i- (n + 1) / 2) 2 to become. This, is calculated using the formula of power sum of a natural number, α 2 = n (n 2 -1) ε 2/12, calculated as α 4 = α 2 (3n 2 -7) ε 2/20.

【0025】このように、各式の代入と整理によって式
(1)における二次元ガウス関数の各定数a〜eを求め
ることができ、これら定数を式(5)と(4)に代入す
ることにより、ガウス関数の主軸のx,y座標および二
つの標準偏差を算出できる。すなわち、ガウス関数の主
軸のx,y座標px とpy は、 px =xa +((n2 −4)(2ζ1 −(n+1))ε)/(10(6(n+ 1)ζ1 −6ζ2 −(n+1)(n+2)η)) py =ya +((n2 −4)(2ξ1 −(n+1))ε)/(10(6(n+ 1)ξ1 −6ξ1 −(n+1)(n+2)η)) として求まり、標準偏差σx ,σy は、 σx =(nε/2√(15))√((n2 −1)(n2 −4)/(6(n+ 1)ζ1 −6ζ2 −(n+1)(n+2)η)) σy =(nε/2√(15))√((n2 −1)(n2 −4)/(6(n+ 1)ξ1 −6ξ2 −(n+1)(n+2)η)) として求めることができる。ここで上式中のζ1
ζ2 ,ξ1 ,ξ2 の各々は、 ζ1 =ΣΣizij,ζ2 =ΣΣi2 ij ξ1 =ΣΣizij,ξ2 =ΣΣi2 ij である。
As described above, the constants a to e of the two-dimensional Gaussian function in equation (1) can be obtained by substituting and rearranging the equations, and substituting these constants into equations (5) and (4). Thus, the x and y coordinates of the main axis of the Gaussian function and two standard deviations can be calculated. In other words, the principal axis of x of the Gaussian function, y coordinate p x and p y are, p x = x a + ( (n 2 -4) (2ζ 1 - (n + 1)) ε) / (10 (6 (n + 1) ζ 1 -6ζ 2 - (n + 1) (n + 2) η)) p y = y a + ((n 2 -4) (2ξ 1 - (n + 1)) ε) / (10 (6 (n + 1) ξ 1 - 6ξ 1 − (n + 1) (n + 2) η)), and the standard deviations σ x and σ y are σ x = (nε / 2ε (15)) √ ((n 2 −1) (n 2 -4) / (6 (n + 1) ζ 1 -6ζ 2 - (n + 1) (n + 2) η)) σ y = (nε / 2√ (15)) √ ((n 2 -1) (n 2 -4) / ( 6 (n + 1) ξ 1 -6ξ 2 - (n + 1) (n + 2) η)) can be obtained as. Where ζ 1 ,
Each of ζ 2 , ξ 1 , and ξ 2 is ζ 1 = ΣΣiz ij , ζ 2 = ΣΣi 2 z ij ξ 1 = ΣΣiz ij , and ξ 2 = ΣΣi 2 z ij .

【0026】以上のように求めた二次元ガウス関数の主
軸の座標px ,py および標準偏差σx ,σy の演算式
は、一般的なパーソナルコンピュータ等の演算装置によ
りきわめて迅速に演算することが可能であり、この演算
式を図1における演算処理装置9にて設定すれば、A/
D変換器8からのx,y座標に対応したデジタルデータ
(xi ,yj )が入力され、このデータに基づいての上
記演算式により、二次元ガウス関数の主軸の座標px
y と標準偏差σx ,σy を算出することができ、この
結果をCRT12で表示しあるいはプリンタ10にプリント
アウトすれば、その出力データにより各々の値を確認す
ることが可能となる。
The arithmetic expressions for the coordinates p x and py and the standard deviations σ x and σ y of the main axes of the two-dimensional Gaussian function obtained as described above are calculated very quickly by a general personal computer or other arithmetic device. If this arithmetic expression is set by the arithmetic processing unit 9 in FIG.
Digital data (x i , y j ) corresponding to the x and y coordinates from the D converter 8 is input, and the coordinates p x ,
p y and the standard deviation sigma x, can be calculated sigma y, if printed out the result to the display and or printer 10 in CRT 12, it is possible to check the respective values by the output data.

【0027】従って、いまCCDビデオカメラ5によっ
てレーザ光源7の照射光の光強度分布を調べる場合、C
CDビデオカメラ5におけるx−y平面(全体で正方
形)のx,y座標に応じた受光画素の各々により、x−
y平面におけるレーザ光源7の光強度分布に対応して変
化するビデオ信号が出力され、これがA/D変換器8に
おいて256 段階の強度変化を持つデジタル信号に変換さ
れて演算処理装置9に供給される。仮に、CCDビデオ
カメラ5のx−y平面に配された受光画素列が512 ×51
2画素を有するものであれば、そのx,y座標(xi
j )についてi,j=1〜512 に分布する光強度に変
じたデジタルデータが得られることとなるが、光源7の
主軸を中心にした特定のエリアにおける分布(分布曲線
のほとんどをカバーできるエリアや、主軸の付近のみを
カバーするエリア等)に対して測定するときには、x,
y座標の任意正方形を形成する座標指定による特定の測
定ウインドを設定し、そのウインド内でのデジタルデー
タを処理することで、そのエリアでの光の強度分布を求
めることができる。
Therefore, when the light intensity distribution of the irradiation light of the laser light source 7 is examined by the CCD video camera 5,
In each of the light receiving pixels corresponding to the x and y coordinates of the xy plane (square as a whole) in the CD video camera 5, x-y
A video signal that changes in accordance with the light intensity distribution of the laser light source 7 on the y-plane is output. The video signal is converted into a digital signal having 256 steps of intensity change in the A / D converter 8 and supplied to the arithmetic processing unit 9. You. Suppose that a light receiving pixel array arranged on the xy plane of the CCD video camera 5 has 512 × 51 pixels.
If it has two pixels, its x and y coordinates (x i ,
y j ), digital data changed to light intensities distributed in i, j = 1 to 512 can be obtained, but distribution in a specific area centered on the main axis of the light source 7 (most of the distribution curve can be covered) Area, or an area that only covers the vicinity of the spindle)
By setting a specific measurement window by specifying coordinates forming an arbitrary square of the y-coordinate and processing digital data in the window, the light intensity distribution in that area can be obtained.

【0028】実験サンプルとしてHe−Neレーザビー
ムを図1のレーザ光源7に用い、CCDビデオカメラ5
でその照射光分布をとらえると、そのx,y座標におけ
る光の強度分布I(x,y)は図2のようになる。この
分布曲線の下側裾部は二次元光センサでのx−y平面に
おける正方形のエリアデータの広がりを示しており、こ
うした裾部エリア(バックグランド)を除いてのデータ
のサンプリングはそのx,y座標の指定により選択でき
る。
As an experimental sample, a He—Ne laser beam was used as the laser light source 7 in FIG.
When the distribution of the irradiation light is captured, the light intensity distribution I (x, y) at the x, y coordinates is as shown in FIG. The lower tail of this distribution curve indicates the spread of square area data in the xy plane in the two-dimensional optical sensor, and sampling of data excluding such a tail area (background) is performed at the x, It can be selected by specifying the y coordinate.

【0029】上記実験サンプル光源の図2に示したよう
な光強度分布から得られたすべてのデータを用いて上記
演算式により算出した二次元ガウス関数の主軸の位置と
標準偏差とをCCDビデオカメラ5の各受光画素間隔ε
を単位として表すと、次の値を得ることができた。 主軸の位置 px =255 ,py =258 標準偏差 σx =11.6,σy =10.9 以上のごとく求められた二次元ガウス関数の主軸x,y
座標Px,Pyおよび標準偏差σx ,σy は、結果的に
CCDビデオカメラ5でとらえた実験サンプル光源の光
強度分布曲線の主軸と標準偏差に近似するものであるた
め、この値がすなわち実験サンプル光源の光の位置と広
がりを示すこととなる。
The position of the principal axis and the standard deviation of the two-dimensional Gaussian function calculated by the above equation using all the data obtained from the light intensity distribution as shown in FIG. Each light receiving pixel interval ε of 5
The following values could be obtained by expressing as a unit. Position of the main shaft p x = 255, p y = 258 the standard deviation σ x = 11.6, σ y = 10.9 or more as the main axis of the two-dimensional Gaussian function obtained x, y
Since the coordinates Px, Py and the standard deviations σ x , σ y are close to the principal axis and the standard deviation of the light intensity distribution curve of the experimental sample light source captured by the CCD video camera 5, this value is This indicates the position and spread of the light from the sample light source.

【0030】本発明における以上の測定方法によれば、
光の二次元的位置と広がりを迅速に測定することができ
るが、上述した演算式を用いることともに、そのサンプ
リングデータがCCDビデオカメラ5のような二次元光
センサによって取り込まれる正方形の測定エリアの全て
を対象とするため、分布曲線のバックグラウンドによる
多少の誤差は生ずるが、ほぼ近似した光強度分布として
とらえることができ、たとえば物体表面の粗さを測定す
る場合にも、その反射光強度分布を同様の演算方式にて
算出することで、その標準偏差σx ,σy の値に基づい
ての測定が可能となる。また、上記演算式を用いた測定
方法では、正方形の測定領式のデータを用いるものであ
るが、x−y平面に平行な面で切った楕円内のデータの
みを選択して求めるようにすれば、その演算は複雑とな
るがより正確な標準偏差を得ることもできる。
According to the above measuring method in the present invention,
Although the two-dimensional position and spread of the light can be measured quickly, using the above-described arithmetic expression, the sampling data of the square measurement area whose sampling data is captured by a two-dimensional optical sensor such as the CCD video camera 5 can be obtained. Since all are targets, there may be some errors due to the background of the distribution curve, but it can be regarded as an approximated light intensity distribution. For example, even when measuring the roughness of an object surface, the reflected light intensity distribution Is calculated in the same manner, the measurement based on the values of the standard deviations σ x and σ y becomes possible. Further, in the measurement method using the above arithmetic expression, data of a square measurement formula is used, but only data within an ellipse cut by a plane parallel to the xy plane may be selected and obtained. If the calculation becomes complicated, a more accurate standard deviation can be obtained.

【0031】次に、図1に示した測定装置において、C
CDビデオカメラ5による検出対象を試験片4の表面粗
さに対応した反射光として測定する方法につき説明す
る。照射光源1におけるLED光源2の光がレンズ3に
より集光されて試験片4に照射されると、この試験片4
の表面での反射光は、その反射表面での表面粗さに応じ
た光の強度分布を示してCCDビデオカメラ5により受
光される。このときの反射光強度分布を前述した光の二
次元測定の理論と同様に二次元ガウス関数で近似させ表
すことができるため、その二次元ガウス関数の互いに直
交する二つの軸の標準偏差を求めることで互いに直交す
る二方向の反射光強度分布曲線の広がりを評価でき、こ
のガウス関数の標準偏差を用いて表面粗さを求めること
ができる。
Next, in the measuring apparatus shown in FIG.
A method of measuring a detection target by the CD video camera 5 as reflected light corresponding to the surface roughness of the test piece 4 will be described. When the light from the LED light source 2 in the irradiation light source 1 is condensed by the lens 3 and is irradiated on the test piece 4, the test piece 4
Is reflected by the CCD video camera 5 with the intensity distribution of light corresponding to the surface roughness on the reflecting surface. Since the reflected light intensity distribution at this time can be approximated and represented by a two-dimensional Gaussian function in the same manner as in the above-described theory of two-dimensional measurement of light, a standard deviation of two axes orthogonal to each other in the two-dimensional Gaussian function is obtained. Thus, the spread of the reflected light intensity distribution curve in two directions orthogonal to each other can be evaluated, and the surface roughness can be obtained using the standard deviation of the Gaussian function.

【0032】以下に、その測定方法の理論を説明する。
まず反射光強度分布I(x,y)を二次元ガウス関数で
表すと、 I(x,y)=Aexp(−ax2 +bx+cy2 +dy+exy) ・・・(6) ここで、A,a,cは正の定数、b,d,eは任意の定
数である。となり、この式(6)の自然対数をとり、こ
れをzとすると、 z=lnI(x,y)=−ax2 +bx−cy2 +dy+exy+f ・・・(7) ただし、f=lnAとなる。式(7)の係数を求めるた
めに、n個の測定値(xi ,yi ,zi )(i=1〜
n)に最小自乗法を適用する。式(6)の二次元ガウス
関数をx−y平面に平行な面で切ると楕円になるが、e
≠0のときにはこの楕円の主軸は一般的には図3のよう
にx,y軸に関して傾いている。
The theory of the measuring method will be described below.
First, when the reflected light intensity distribution I (x, y) is represented by a two-dimensional Gaussian function, I (x, y) = Aexp (−ax 2 + bx + cy 2 + dy + exy) (6) where A, a, c Is a positive constant, and b, d, and e are arbitrary constants. Next, taking the natural logarithm of the equation (6), which upon the z, z = lnI (x, y) = - ax 2 + bx-cy 2 + dy + exy + f ··· (7) However, the f = lnA. To determine the coefficients of the equation (7), n pieces of measurement (x i, y i, z i) (i = 1~
The least squares method is applied to n). When the two-dimensional Gaussian function of the equation (6) is cut by a plane parallel to the xy plane, an ellipse is obtained.
When ≠ 0, the main axis of the ellipse is generally inclined with respect to the x and y axes as shown in FIG.

【0033】この楕円の座標軸を図3のようにx′,
y′軸にとり、これを新たにx,yで表すと、式(6)
は、 I(x,y)=Aexp(−αx2 −βy2 ) ・・・(8) となる。ここで、α,βは正の定数であり、 α=acos2θ+csin2θ−esin θcos θ β=asin2θ+ccos2θ−esin θcos θ θ=0.5 tan -1〔e/(c−a)〕 (θはx軸に対するx′軸の傾きである。)である。統
計学の理論により、式(8)のx軸とy軸に関する標準
偏差σx とσy は、 σx =1/√(2α),σy =1/√(2β) ・・・(9) となる。この標準偏差σx とσy によって互いに直交す
るx軸,y軸に関する反射光強度分布曲線の広がりを求
めることができる。
The coordinate axes of this ellipse are x ',
When this is newly represented by x and y on the y ′ axis, the following equation (6) is obtained.
Is I (x, y) = Aexp (−αx 2 −βy 2 ) (8) Here, α and β are positive constants, and α = acos 2 θ + csin 2 θ−esin θcos θβ = asin 2 θ + ccos 2 θ−esin θcos θ θ = 0.5 tan −1 [e / (ca)] (Θ is the inclination of the x ′ axis with respect to the x axis.) According to the theory of statistics, the standard deviations σ x and σ y of the equation (8) with respect to the x axis and the y axis are σ x = 1 / √ (2α), σ y = 1 / √ (2β) (9) ). From the standard deviations σ x and σ y , the spread of the reflected light intensity distribution curve on the x-axis and the y-axis orthogonal to each other can be obtained.

【0034】上記理論に基づき、図1に示した測定装置
により、試験片4の表面粗さを測定した結果について説
明する。用いた試験片4は、中心線平均粗さRaが0.05
から1.6 μmの研削した6種類の標準表面粗さ試験片で
ある。図1において、まずLED光源2から照射された
光をレンズ3により試験片4上に集光し、その反射光強
度分布を半透明のプラスチック板6を通してCCDビデ
オカメラ5で測定する。CCDビデオカメラ5からのビ
デオ信号出力はイメージ処理装置11を通して演算処理装
置9に入力され、CRT12により反射光強度分布に対応
した所定のイメージで表示される。同時に、演算処理装
置9において、上記ビデオ信号をA/D変換器8により
デジタル変換したデジタルデータに基づき二次元の光強
度分布曲線を求めるとともに、この曲線の広がりを表す
二次元ガウス関数のx軸とy軸に関する標準偏差σx
σy を各試験片について4回づつ求めた。
The result of measuring the surface roughness of the test piece 4 with the measuring device shown in FIG. 1 based on the above theory will be described. The test piece 4 used had a center line average roughness Ra of 0.05.
6 kinds of standard surface roughness test pieces ground from 1.6 μm. In FIG. 1, first, light emitted from an LED light source 2 is condensed on a test piece 4 by a lens 3, and the reflected light intensity distribution is measured by a CCD video camera 5 through a translucent plastic plate 6. The video signal output from the CCD video camera 5 is input to the arithmetic processing device 9 through the image processing device 11, and is displayed by the CRT 12 in a predetermined image corresponding to the reflected light intensity distribution. At the same time, in the arithmetic processing unit 9, a two-dimensional light intensity distribution curve is obtained based on digital data obtained by digitally converting the video signal by the A / D converter 8, and the x-axis of a two-dimensional Gaussian function representing the spread of the curve is obtained. And standard deviations σ x and σ y with respect to the y-axis were obtained four times for each test piece.

【0035】図4の(a)〜(d)には、図1の測定装
置で測定した試験片4の反射光強度分布の一例を示して
ある。この図からわかるように、研削による表面粗さに
は方向性があるので、二次元ガウス関数で近似できる反
射光強度分布曲線の水平断面は円形とならず楕円形とな
る。また、表面粗さRaが大きくなるほどこの曲線が広
がっていることが図4からわかる。
FIGS. 4A to 4D show examples of the reflected light intensity distribution of the test piece 4 measured by the measuring apparatus of FIG. As can be seen from this figure, since the surface roughness due to grinding has directionality, the horizontal cross section of the reflected light intensity distribution curve that can be approximated by a two-dimensional Gaussian function is not circular but elliptical. Also, it can be seen from FIG. 4 that this curve becomes wider as the surface roughness Ra increases.

【0036】図5および図6には、バックグラウンド強
度を差し引いた二次元反射光強度分布曲線の、互いに直
交する縦断面の強度分布曲線を、Ra=0.8 μmの試験
片を例にとって示した。これらの図に示した曲線は、強
度の最大値Imax の30%以上(上から70%)のデータに
最小自乗法を用いて求めたガウス関数である。これによ
り、反射光強度分布はかなりの精度でガウス関数に近似
できることがわかる。
FIGS. 5 and 6 show the intensity distribution curves of vertical cross sections of the two-dimensional reflected light intensity distribution curves obtained by subtracting the background intensity, using a test piece with Ra = 0.8 μm as an example. The curves shown in these figures are Gaussian functions obtained by using the least squares method on data of 30% or more (70% from the top) of the maximum intensity value Imax. This indicates that the reflected light intensity distribution can be approximated to a Gaussian function with considerable accuracy.

【0037】図7には、反射光強度の最大値Imax の30
%以上のデータを用いて当てはめた二次元ガウス関数か
ら式(9)を用いて求めたx軸とy軸に関する標準偏差
σx,σy と表面粗さRaとの関係を示してある。この
図から研削方向の標準偏差σy は、表面粗さRaに無関
係にほぼ一定の値をとっているのに対し、研削方向に直
角方向の標準偏差σx は、表面粗さRaとともに増加し
ていることがわかる。図7の標準偏差σx と表面粗さR
aとの関係を示す実験式を求めた結果、次式を得ること
ができた。 Ra=21.86 σx 2 −6.75σx +0.58 ・・・(10) 従って、式(10)を用いれば、光学的に求めたガウス関
数の標準偏差σx から試験片4の表面粗さRaが得られ
る。演算処理装置9におけるデータ演算式として、二次
元ガウス関数の標準偏差σx ,σy を求める式と、この
標準偏差σx ,σy に基づいて表面粗さRaを求める式
を設定すれば、図1の測定装置におけるCCDビデオカ
メラ5による物体表面からの反射光強度分布曲線の標準
偏差から表面粗さRaを容易にかつ迅速に求めることが
可能となる。
FIG. 7 shows that the maximum value Imax of the reflected light intensity is 30.
5 shows the relationship between the standard deviations σ x , σ y on the x-axis and the y-axis obtained from the two-dimensional Gaussian function fitted using data of at least% and using the equation (9) and the surface roughness Ra. From this figure, the standard deviation σ y in the grinding direction has a substantially constant value irrespective of the surface roughness Ra, whereas the standard deviation σ x in the direction perpendicular to the grinding direction increases with the surface roughness Ra. You can see that it is. Standard deviation σ x and surface roughness R in FIG.
As a result of obtaining an empirical formula indicating the relationship with a, the following formula could be obtained. Ra = 21.86 σ x 2 -6.75σ x +0.58 ··· (10) Therefore, by using the equation (10), the standard deviation sigma surface roughness of the test piece 4 x Ra Gaussian function obtained optically Is obtained. As data calculation equation in the arithmetic processing unit 9, the standard deviation sigma x of the two-dimensional Gaussian function, the equation for sigma y, the standard deviation sigma x, by setting the equation for surface roughness Ra based on sigma y, The surface roughness Ra can be easily and quickly obtained from the standard deviation of the intensity distribution curve of the reflected light from the object surface by the CCD video camera 5 in the measuring apparatus of FIG.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上詳述してきたように、本発明によれ
ば、種々の光学的測定に必要な光の位置あるいはその広
がり、さらにその一つの応用例として測定対象としての
物体表面の表面粗さを、その光や表面での反射光をCC
Dのような二次元光センサで測定するとともに、その光
強度分布を近似した二次元ガウス関数としてとらえ、こ
の二次元ガウス関数の主軸の座標と標準偏差とを所定の
演算式で求めることにより、きわめて容易にかつ迅速に
光の位置と広がりを決定することが可能となり、従来の
ように測定装置を複雑にすることなく、また、測定対象
と光学センサとの相対位置を移動させることなく二次元
での測定を同時に行うことができ、この種の光学的測定
分野においてきわめて実用価値の高い測定方法および装
置を提供することができる。特に、本発明は、二次元的
光の広がりを二次元光センサでとらえるとともに、この
光強度分布を二次元ガウス関数に近似させ、簡単な演算
式を導くことによって、そのガウス関数の主軸の座標と
標準偏差を迅速に求めることができ、この主軸の座標と
標準偏差とにより光の二次元的位置と広がりを表すこと
が可能となり、さらにこの二つの標準偏差を用いての所
定の演算式により、物体の互いに直交する二方向の表面
粗さを光学的に簡単に求めることができ、かつこれらを
二次元的広がりをもって測定することによりきわめて範
囲の広い利用が可能になるという効果を奏するものであ
る。
As described above in detail, according to the present invention, the position or spread of light necessary for various optical measurements, and as one application example, the surface roughness of the object surface as a measurement object The light and the reflected light on the surface are CC
While measuring with a two-dimensional optical sensor such as D, the light intensity distribution is taken as an approximated two-dimensional Gaussian function, and the coordinates of the main axis and the standard deviation of the two-dimensional Gaussian function are obtained by a predetermined arithmetic expression. It is possible to determine the position and spread of light very easily and quickly, without complicating the measuring device and moving the relative position between the measuring object and the optical sensor as before. At the same time, and it is possible to provide a measurement method and an apparatus having extremely high practical value in this type of optical measurement field. In particular, the present invention captures the spread of two-dimensional light with a two-dimensional optical sensor, approximates this light intensity distribution to a two-dimensional Gaussian function, and derives a simple arithmetic expression to obtain the coordinates of the principal axis of the Gaussian function. And the standard deviation can be quickly obtained, and the two-dimensional position and spread of light can be represented by the coordinates of the main axis and the standard deviation, and furthermore, by a predetermined arithmetic expression using these two standard deviations. The surface roughness of the object in two directions perpendicular to each other can be easily obtained optically, and by measuring these with a two-dimensional spread, an effect that an extremely wide range of use can be achieved is achieved. is there.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の光の二次元測定および物体の表面粗さ
測定を行うための測定装置の基本構造を示すブロック図
である。
FIG. 1 is a block diagram showing a basic structure of a measuring apparatus for performing two-dimensional measurement of light and measurement of surface roughness of an object according to the present invention.

【図2】本発明におけるレーザ光源の光を測定した光強
度分布をx−y座標に対する強度変化曲線として三次元
的に示した分布図である。
FIG. 2 is a distribution diagram three-dimensionally showing a light intensity distribution obtained by measuring light of a laser light source in the present invention as an intensity change curve with respect to xy coordinates.

【図3】本発明の表面粗さ測定における試験片の反射光
強度分布を近似した二次元ガウス関数をx−y平面に平
行な面で切った座標説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of coordinates obtained by cutting a two-dimensional Gaussian function approximating a reflected light intensity distribution of a test piece in a surface roughness measurement of the present invention by a plane parallel to an xy plane.

【図4】図1の測定装置における測定試験片の表面粗さ
を反射光強度分布で三次元的に示した分布図である。
4 is a distribution diagram three-dimensionally showing the surface roughness of a measurement test piece in the measurement apparatus of FIG. 1 by a reflected light intensity distribution.

【図5】図1の測定装置により測定した試験片のy軸に
対する反射光強度分布図である。
5 is a reflected light intensity distribution diagram with respect to the y-axis of a test piece measured by the measuring device of FIG.

【図6】図1の測定装置により測定した試験片のx軸に
対する反射光強度分布図である。
FIG. 6 is a reflection light intensity distribution diagram with respect to the x-axis of a test piece measured by the measurement device of FIG. 1;

【図7】x軸とy軸に関する標準偏差と試験片の表面粗
さとの関係を示した相関図である。
FIG. 7 is a correlation diagram showing a relationship between a standard deviation with respect to an x-axis and a y-axis and a surface roughness of a test piece.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 照射光源 2 LED光源 3 レンズ 4 試験片 5 二次元光センサとしてのCCDビデオカメラ 6 プラスチック板 7 レーザ光源 8 アナログ/デジタル変換器 9 演算処理装置 10 プリンタ 11 イメージ処理装置 12 CRT DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Irradiation light source 2 LED light source 3 Lens 4 Test piece 5 CCD video camera as a two-dimensional optical sensor 6 Plastic plate 7 Laser light source 8 Analog / Digital converter 9 Arithmetic processing unit 10 Printer 11 Image processing unit 12 CRT

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザビーム等の光強度の二次元分布を
非接触式光学方式により求める光の測定方法において、
光源もしくは反射体からの反射光をCCD等の二次元光
センサにより、その光強度分布に応じたx,y座標の値
として検出するとともに、このx−y平面における光の
強度分布を演算処理装置にて近似する二次元ガウス関数
としてとらえ、上記二次元光センサのx−y平面に配し
た複数の受光画素列の出力に基づくデジタル変換データ
を上記二次元ガウス関数のx,y座標データとして取り
込み、ガウス関数の主軸のx,y座標px ,py を演算
して求めることにより、上記光の二次元的位置を決定す
ることを特徴とする光の二次元測定方法。
1. A light measuring method for determining a two-dimensional distribution of light intensity of a laser beam or the like by a non-contact optical system,
The reflected light from the light source or the reflector is detected by a two-dimensional optical sensor such as a CCD as x and y coordinate values corresponding to the light intensity distribution, and the light intensity distribution on the xy plane is calculated. And captures digital conversion data based on the outputs of a plurality of light receiving pixel arrays arranged on the xy plane of the two-dimensional optical sensor as x, y coordinate data of the two-dimensional Gaussian function. , the principal axis of x of the Gaussian function, y coordinate p x, by obtaining by calculating the p y, the two-dimensional measurement method of the light and determines the two-dimensional position of the light.
【請求項2】 レーザビーム等の光強度の二次元分布を
非接触式光学方式により求める光の測定方法において、
光源もしくは反射体からの反射光をCCD等の二次元光
センサにより、その光強度分布に応じたx,y座標の値
として検出するとともに、このx−y平面における光強
度分布を演算処理装置にて近似する二次元ガウス関数と
してとらえ、上記二次元光センサのx−y平面に配した
複数の受光画素列の出力に基づくデジタル変換データを
上記二次元ガウス関数のx,y座標データとして取り込
み、ガウス関数のx,y座標における各々の標準偏差σ
x ,σy を演算して求めることにより、上記光のx−y
平面における二次元の広がりを決定することを特徴とす
る光の二次元測定方法。
2. A light measuring method for determining a two-dimensional distribution of light intensity of a laser beam or the like by a non-contact optical system,
The light reflected from the light source or the reflector is detected by a two-dimensional light sensor such as a CCD as x and y coordinate values corresponding to the light intensity distribution, and the light intensity distribution on the xy plane is sent to an arithmetic processing unit. And captures digital conversion data based on the outputs of a plurality of light receiving pixel arrays arranged on the xy plane of the two-dimensional optical sensor as x, y coordinate data of the two-dimensional Gaussian function. Standard deviations σ of x and y coordinates of Gaussian function
By calculating and calculating x , σ y , the xy of the light
A two-dimensional measuring method of light, characterized by determining a two-dimensional spread in a plane.
【請求項3】 測定対象となる物体表面にレーザやLE
D等の光源からの光を照射し、この物体表面からの反射
光をCCD等の二次元光センサにおけるx−y平面に配
した複数の受光画素列により受光するとともに、このx
−y平面における反射光強度分布を二次元ガウス関数と
してとらえ、上記二次元光センサの受光画素列の出力に
対応したデジタル変換データに基づき、上記二次元ガウ
ス関数のx,y座標における各々の標準偏差σx ,σy
を所定の演算式により求めることにより、この標準偏差
のσx ,σy にて反射光強度分布曲線の二次元的広がり
を決定し、これにより物体の表面粗さを求めることを特
徴とする表面粗さ測定方法。
3. A laser or an LE on a surface of an object to be measured.
A light from a light source such as D is irradiated, and a reflected light from the surface of the object is received by a plurality of light receiving pixel rows arranged on an xy plane in a two-dimensional optical sensor such as a CCD.
-The reflected light intensity distribution in the y-plane is taken as a two-dimensional Gaussian function, and each standard in x and y coordinates of the two-dimensional Gaussian function is based on digital conversion data corresponding to the output of the light receiving pixel array of the two-dimensional optical sensor. Deviation σ x , σ y
Is determined by a predetermined arithmetic expression to determine the two-dimensional spread of the reflected light intensity distribution curve using the standard deviations σ x and σ y , thereby obtaining the surface roughness of the object. Roughness measurement method.
【請求項4】 測定対象である物体表面にレーザビーム
やLED光等の光を照射する照射光源と、上記物体表面
からの反射光を受光し得る位置に配置されたCCD等の
二次元光センサと、この二次元センサにおけるx−y平
面に配した複数の受光画素列から出力されるアナログ信
号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換器
と、このアナログ/デジタル変換器で変換されたデジタ
ルデータに基づく上記物体表面の表面粗さに対応する反
射光強度分布曲線を、そのx,y座標における二次元ガ
ウス関数で近似させ、このガウス関数のx軸,y軸に関
する標準偏差を所定の演算式により各々求め、この標準
偏差に基づき上記物体表面の粗さを算出する演算手段と
を具備することを特徴とする表面粗さ測定装置。
4. An irradiation light source for irradiating a surface of an object to be measured with light such as a laser beam or LED light, and a two-dimensional optical sensor such as a CCD arranged at a position capable of receiving reflected light from the surface of the object. And an analog / digital converter for converting analog signals output from a plurality of light receiving pixel arrays arranged on an xy plane in the two-dimensional sensor into digital signals, and digital data converted by the analog / digital converter. Is approximated by a two-dimensional Gaussian function in the x and y coordinates of the reflected light intensity distribution curve corresponding to the surface roughness of the object surface based on And a calculating means for calculating the roughness of the object surface based on the standard deviation.
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