JP2900940B2

JP2900940B2 - ３次元形状測定用光学システム

Info

Publication number: JP2900940B2
Application number: JP63144846A
Authority: JP
Inventors: 義一柿木; 雅人中島; 哲男肥塚; 規之平岡; 博之塚原; 嘉規須藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-06-14
Filing date: 1988-06-14
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: JPH01313707A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕物体の３次元形状を計測する装置における光学システ
ムに関し、高速かつ簡単に３次元形状の計測を可能ならしめる光
学系を実現することを目的とし、レーザ光源からのレーザビームを平行光に変換するコ
リメートレンズと，このレーザ平行光を被計測物に垂直
に走査する走査光学系と，被計測物に対し垂直に近い所
定の角度をなし、走査ビームから所定の距離に配置され
るミラーと，該ミラーによる被計測物からの反射光の反
射光を上記走査光学系を介して再結像する結像レンズ
と，該結像レンズによる結像ビームスポットを検出する
光ディテクタとを有して構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は物体の３次元形状及び必要に応じて濃淡パタ
ーンを計測する装置の光学システムに関する。

〔従来の技術〕

非接触で物体の３次元形状を計測する方法は例えば、
プリント板上への表面実装部品（回路素子等）の実装状
態（実装の有無、位置ずれ、実装方向、素子の欠けや浮
き上がり等）を自動検出する有力な方法として利用され
ている。従来の計測方法の主たるものは光切断方法であ
る。

第11図に光切断法による物体の高さ計測方法の原理を
示す。

同図において、被計測物体10の真上からスリット光L₁
を照射し、光切断線を斜め方向からTV（テレビ）カメラ
13で撮像する。第11図に示す物体形状の場合、第12図に
示す如く高さ部分に相当する個所が、例えば、輝度イメ
ージとしてTVカメラ13によりモニターされる。このイメ
ージパターンを各ライン（縦方向）毎に横方向（ｘ方
向）に走査して三角法により全体形状（高さ）を検出す
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上記の光切断方法ではｘ−ｙ走査に時間が
かかり、計測速度が非常に遅いという欠点がある。検出
された画像から高さを求める処理をハードウェアによっ
てリアルタイム化しても、１ラインの高さの計測に少な
くとも1/30秒（１フレームの時間）程度かかるのが実情
である。この計測速度では高速処理化の要請には十分応
えられない。

本発明の目的は計測時間の短縮と正確な計測を実現し
得る簡易構造の光学システムを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため、本発明に係る３次元形状測
定用光学システムは、第１図に示す如く、レーザ光源21
からのレーザビームを平行光に変換するコリメートレン
ズ23と，このレーザ平行光を被計測物50に垂直に走査す
る走査光学系31と，被計測物に対し垂直に近い所定の所
定の角度をなし、走査ビームから所定の距離に配置さ
れ、被計測物からの斜め反射光を受けるミラー29と，該
ミラーによる被計測物からの反射光の反射光を上記走査
光学系を介して再結像する結像レンズ33と，該結像レン
ズによる結像ビームスポットを検出する光検出器35とを
有し、上記走査光学系（31）はレーザ平行光を所定方向
に偏向する偏向ミラー（25）と、その偏向光を反射して
被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡（27）とを
有することを構成上の特徴とする。

上記放物面鏡の代わりにｆ・θレンズ41（第２図）を
用いることも可能である。

第１の発明では、上記レーザービームの往路内に被計
測物に反射され、往路を逆行する復路のビームを偏光す
るλ/4板（36）と、その偏光光を分離する偏光ビームス
プリッタ（38）とを配置し、更に、ビームスプリッタに
より分離されたビームを収束するレンズ（40）と、その
収束光を検出する第２の光検出器（35B）とが付設され
る。

好ましくは、第２光検出器の手前には被計測物上のビ
ーム照射点からの反射光を遮断するマスクが設けられ
る。

光検出器は好ましくはPSDである。この時、第1PSDに
よる被計測物の高さ情報はPSDの出力をI_a、I_bとした
時、で表される。

第2PSDの出力をΔＩとした時に、第1PSDの出力を第2P
SDの出力により補正すれば、高さ情報を次式により表示
される。

第２の発明では、第1PSDの両側に第２、第３のPSDが
配置される。

この場合、第１、第２、第3PSDの出力を夫々I_a、I_b:I
_c、I_d:I_e、I_fとした時、被計測物のたかさ情報は次式で
与えられる。

〔作用〕第１図に示す如く、レーザ光源21から出射されるレー
ザビームはコリメートレンズにより平行光に変換され
る。このレーザ平行光は所定の入射角で偏向ミラー25に
入射し、それにより偏向された反射光は放物面鏡27に入
射する。放物面鏡により反射されるレーザビームスポッ
トを被計測物50に垂直に照射し、偏向ミラーと放物面鏡
とによりレーザヒームスポットを走査する。

被計測物による反射散乱光の一部はミラー29により反
射され、偏向ミラーと放物面鏡とを経て再結像レンズ33
により結像し光検出器35上に合焦する。光検出器35によ
る検出光は周知の方法により信号処理回路45により信号
処理され、高さ信号S₁及び必要に応じて明るさ信号S₂と
して取り出すことが出来る。

上記放物面鏡25の代わりにｆ・θレンズ41（第２図）
を用いた場合にも全く同様の作用を呈する。偏向ミラー
と放物面鏡あるいはｆ・θレンズとを用いた走査光学系
自体はレーザプリンタ等に用いられており、周知であ
る。

レーザビームの往路内に被計測物の照射部からの拡散
光を外部に取り出すビーム分離手段を設けることによ
り、この取り出したビームを第２の光検出器により検出
し、それを第１光検出器の出力値の演算補正値として利
用することが出来る。

また、第1PSDの両側に第２、第３のPSDを配置し、そ
の検出値により第1PSDの出力を補正し、拡散光による誤
差を小さくすることが出来る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

第３、４図に本発明の一実施例を示す。基本的には第
１図に示す構成と同様であり、対応する部品は第１図と
同一番号で示し、重複説明を省略する。

第３、４図において、レーザ光源（例、半導体レー
ザ）21からのレーザ光L₂をコリメートレンズ23により平
行光L₃に変換し、偏向ミラー25に入射する。偏向ミラー
25は例えば回転軸線Ｏを中心に回転するそれ自体公知の
ポリゴンミラー（回転多面鏡）を用いることが出来る。
ポリゴンミラー25による反射光L₄は放物面鏡27により所
定方向に反射される。放物面鏡27は周知の如くその焦点
距離に像を結像する機能も有する。従って、直交ｘ−ｙ
平面内において可動なステージ51上に載置された被計測
物50は放物面鏡27の焦点距離に置かれる。図示実施例で
は被計測物50は水平平面内に置かれているために、これ
に上方から垂直に走査ビームL₅を入射し得るように放物
面鏡27と被計測物50との間に第１のミラーM₁が設けられ
ている。この第１ミラーM₁と後述の第２ミラーM₂及び第
３ミラーM₃は単に光路の方向を変えるためだけのもの
で、各光学要素の配置によっては第１図に示す如く不要
となすことも、あるいは更に第３、第４・・・の適宜の
数のミラーを設けることも可能である。

被計測物50の近傍に配置されるミラー29は被計測物に
対して略垂直に近い傾斜角度βを形成する。またミラー
29は被計測物への照射ビームL₅の近傍（間隔ｄ）に配置
される。これにより、ミラー29により往路（照射ビーム
L₅）と略平行でかつ往路に近接した一種の再帰反射系が
形成される。ミラー50は被計測物50により反射される散
乱光L₆を検出する。即ち、斜め方向からミラー29に向か
って反射された光はこのミラーにより反射され、往路に
近接してそれと略平行な往路、即ち、第１ミラーM₁、放
物面鏡27、及びポリゴンミラー25を経て第２ミラーM₂、
第３ミラーM₃を介して収束レンズ33により光検出器35に
収束せしめられる。光検出器35は収束レンズ33の焦点距
離に置かれる。その結果、被計測物50からの反射光（信
号光）は光検出器35にビームスポットとして再結像され
る。

尚、図面において、光は光軸により代表させている。

次に、第４図により、本発明に係る被計測物50の３次
元形状（主に、高さ）の測定原理を説明する。

第４図において、便宜上、被計測物50の低い部分を
Ａ、高い部分をＢで示す。第３図に示す光学系は上述の
如く再結像系であるから、ビームを走査するにも拘わら
ず反射光を一個所（光検出器35）に収束させることが出
来る。この時、ミラー29は被計測物50に対して所定の傾
斜角βをなすから被計測物50の高さに応じて光検出器35
上での結像ビームスポットの位置が変化する。即ち、点
Ａからの結像ビームスポットはＡ′に、また点Ｂからの
結像ビームスポットはＢ′に夫々結像する。従って、光
検出器35のビームスポットの位置を計測することにより
被計測物50の高さ分布を検出することが出来る。

光検出器35としては例えば、それ自体公知の光点位置
検出素子PSD（Position Sensitive Detector）を用いる
ことが出来る（例えば、浜松ホトニクス（株）社さら市
販されている）。これは一種のホトダイオードであり、
その出力信号から光点の位置と強度が検出される。応答
時間（検出時間）は500nsec.程度と極めて短い。従っ
て、信号処理回路45での処理時間を含めても、１つの光
点を１μsec.以下で計測することが可能となる。

尚、PSDは上述の如く、光強度も同時に検出すること
が出来るので、被計測物の濃淡情報の計測も出来る。

第５図に示す如く、PSD35の２つの出力端子の出力電
流を夫々I_a、I_bとすると、光の位置（本実施例では被計
測物50の高さ情報に対応する）と強度（本実施例では被
計測物の濃淡情報に対応する）は次式によって表され
る。

第２図に示す如く放物面鏡27の代わりにｆ・θレンズ
41を用いても同様に本発明を実施できる。

しかしながら、一般に偏向ミラーとの組み合わせによ
り走査光学系を実現する場合ににおいて、放物面鏡とｆ
・θレンズとでは以下の点で放物面鏡の方が有利であ
る。

走査長を長くすること（240mm程度）が容易であ
る。

反射光量がより多く得られる。

反射光量のシェーディング（不均一さ）がより少な
い。

その反面、ｆ・θレンズを用いる場合には次のような
利点がある。

略完全な直線走査（走査線が湾曲軌跡を描かず直線
となる）を実現することができる。放物面鏡の場合には
一般に走査線は湾曲し、それを補正するためには特別な
補正手段が必要である。

ビームスポット径をより小さく出来る。

以上の実施例において、ミラー29と照射ビームL₅との
距離ｄ及びミラー29の傾斜角βを変えることにより被計
測物の高さの計測分解能及び計測範囲を容易に変えるこ
とが出来る。

また、再結像レンズ33を焦点距離及びPSD35の受光面
積を変えることによっても、高さの計測分解能及び計測
範囲を変えることが出来る。

第６図は第１図に示す光学系により検出した被計測物
50の高さ情報（S₁）と濃淡情報（S₂）とにより被計測物
の画像処理システムを示す。尚、上記の実施例の如く、
被計測物の高さを測定する場合には被計測物は静止させ
たまま、ビームを一次元に走査するだけでよいが、被計
測物の面の３次元形状を測定する場合にはステージ51に
より被計測物を走査方向と直交する方向（ｘまたはｙ方
向）に移動させればよい。

第６図において、信号処理回路45は上記（１）、
（２）の演算を実行し、高さと明るさのデータを得る。
このデータをDMA（Direct Memory Access）回路55によ
り画像メモリ57に直接転送する。画像メモリ57に入力さ
れたデータ（S₁,S₂）の画像をCPU59で処理し、被計測物
50の例えばプリント板（図示せず）上での実装状態を検
査する。尚、本発明においては、信号処理回路45で検出
した信号を如何にして画像処理するかについては関与す
るところではないので詳細な説明は省略する。

尚、放物面鏡を用いた走査光学系においては、一般に
入射ビームの光軸と反射ビームの光軸とをずらす必要が
あるため、両ビーム間に所謂、軸外し角が付される。さ
もなければ、反射ビームは入射ビームに一致してしまい
検出出来ない。

一例として、この軸外し角を10゜、放物面鏡27の焦点
距離ｆを300mmとし、ポリゴンミラー25は６面でその対
面間距離を60mmとした場合、レーザ走査長は240mmが得
られる。また、有効走査効率は約40％となる。応答時間
500nsec程度のPSD35を用いれば、1M画素／秒の速度で高
さと明るさの計測が出来る。また、上記の有効走査率を
考慮すると、平均計測速度は0.4M画素／秒となる。

第７図は本発明の別の実施例を示す。

上述の実施例（第３図）において、被計測物50が大き
な光拡散性を有する物質の場合には、反射光を再結像さ
せた時、ビームを照射した部分からだけでなく、その周
囲からも反射光が生じる。即ち、PSD35（第５図）の出
力I_a,I_bには不要な拡散光の信号も含まれてしまう（こ
の信号出力をΔＩとする）。この拡散光ΔＩにより前述
の（１）式で求められる光位置の測定値は以下の理由に
より正確な値よりも小さくなる。即ち、拡散光を含まな
い真の電流値を夫々I₁,I₂とすると、実際の測定値（出
力電流）は夫々次式となる。

I_a＝I₁＋ΔＩ I_b＝I₂＋ΔＩ従って、測定高さは次式であらわされる。

一方、真の高さは、で表されるが、この値は明らかに（３）式より小さい
（スポット光が中心に近づく）。

第７図に示す実施例はこの誤差を補正するものであ
る。即ち、位置を求めようとするスポット光以外の拡散
光の強度を測定し、（I_a＋I_b）からこの値を引いて演算
すればよい。

第７図はその具体的な光学系を示すもので、同図にお
いて、第３図に示す実施例に対し、位置を求めようとす
るとスポット光以外の拡散光（以下、余分拡散光と呼
ぶ）を取り出しそれを検出する光学系が付加されてい
る。この付加光学系は半導体レーザ21から被計測物50に
至る往路の光路内に配置される偏光ビームスプリッタ38
と、それを収束する第２のレンズ40（第１のレンズは3
3）と、第２の光検出器（PSD）35B（前述のPSDは第1PSD
35Aとして示される）とから構成される。即ち、被計測
物50で反射された余分拡散光はビームの往路と全く同一
の光路を辿って逆行し、偏光ビームスプリッタ38に入射
する。偏光ビームスプリッタ38の手前（光源21と反対
側）にはλ/4板36が設けられる。偏光ビームスプリッタ
38は例えばＰ偏光は通過し、Ｓ偏光は反射するようにな
っており、従って、往路のビーム（直線偏光）をＰ偏光
としておけば、復路では余分拡散光はλ/4板36にＳ偏光
に変換されるから、ビームスプリッタ38により反射さ
れ、第２レンズ40を介して第2PSD35Bに入射する。こう
して、余分拡散光を第2PSD35Bに取り出すことが出来
る。

尚、通常の再結像系と何ら変わりはないので、被計測
物の高さが変わっても、光点の位置は変わらない。

確実に余分拡散光のみを取り出すために、第2PSD35B
の手前には被計測物50のビーム照射点からのビームスポ
ットの点光を遮断するマスク44が設けられる。マスク44
は通常のピンホールとは逆に、ビームスポットに対応す
る部分44aのみが例えば不透明、残りの部分が透明とな
ったプレートでよい。これにより、余分拡散光のみを第
2PSD35Bにより検出することが出来る。

尚、PSD35Bで検出する余分拡散光は第1PSD35Aで検出
する拡散光と厳密には等しくない（検知している角度が
違うので）が、余分拡散光はすべての方向に均一に反射
するため、この相違は実用上全く問題とならない。

第８図は第７図に示す実施例の演算回路の一例を示
す。

第1PSD35Aに対しては、前述の実施例と同様に両電流
値I_a,I_bの和と差を減算器63、加算器65により求める。
尚、実際の演算に際しては測定電流値は電流−電圧変換
器61により電圧に変換されるが、便宜上電流値として説
明する。

第2PSD35Bからの出力値ΔＩは加算器69により加算さ
れる。

半導体レーザの光は直線偏向であるから、照射光（往
路）のロスは殆どないが、復路においてはλ/4板36によ
りＰからＳあるいはその逆に偏光されるので反射光は約
50％のロスがある。従って、第2PSD35Bの出力の和信号
を増幅器71で増幅するのが望ましい。光量ロスが50％の
場合、増幅器71のゲインを２倍にすることによって補正
が出来る。

PSD35Aの和信号から第2PSD35Bの増幅和信号を減算器7
3により減算し、除算回路75の分母に入力する。一方、
除算回路75の分子へは第1PSD35Aの差信号を入力する。
除算回路75では結局、の演算が実行されることになり、従って、余分拡散光が
補正される。

第９、10図は本発明の別の実施例を示す。高さ計測用
の第1PSD35Aの両側に第2PSD35B、第3PSD35Cとを設け、
この第２、第3PSDにより余分拡散光を検出する。３つの
PSDは全く同一のものでよい。

この実施例によれば、光検出器の受光面積、感度が全
く同一であるので正確な余分拡散光の信号が得られる。
拡散光は前述の如く均一に分布すると考えられるので、
第２、第3PSDは同一の余分拡散光を受光する。

第10図に示す演算回路は第８と基本的に同一である
が、第８図とは異なり、第2PSD35Bの和信号と第3PSD35C
の和信号の平均値を第1PSD35Aの和信号から引いてい
る。即ち、第2PSD35Bの和信号と第3PSD35Cの和信号とを
和算器68により和算し、その和算値を分圧器70により1/
2にして（平均値）から減算器73に入力する。

第10図に示す演算方法においては、高さ信号は次式で
表される。但し、I_a、I_b:I_c、I_d:I_e、I_fは夫々、第1PSD
35A、第2PSD35B、第3PSD35Cの出力を示す。

このように平均値を用いることにより誤差を少なくす
ることが出来る。

〔発明の効果〕

以上に記載の通り、本発明によれば、被計測物の３次
元形状及び必要に応じて明るさを同時に極めて短時間で
計測することが出来る。

また、第２あるいは第３の光検出器を付設することに
より、仮令、被計測物が光拡散性の物体であっても、そ
の拡散光による誤差を減少し、正確な計測を行うことが
出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学システムの基本原理を説明す
る図、第２図は第１図における走査光学系の放物面鏡の
代わりにｆ・θレンズを用いた場合を示す図、第３図は
本発明の光学システムの一実施例を示す図、第４図は第
３図に示す光学系の計測原理を説明する図、第５図は本
発明において用いられる光検出器の一例を示す図、第６
図は画像処理回路の概要を示すブロック図、第７図は本
発明の別の実施例を示す図、第８図は第７図に示す光学
系に対する演算回路の一例を示すブロック図、第９図は
第７図の更に別の実施例を示す図、第10図は第９図に示
す光学系に対する演算回路の一例を示す図、第11図は従
来の光切断法による高さ測定方法を示す図、第12図は第
11図の測定法により得られる高さ情報のモニター画像を
示す図。 21……レーザ光源、 23……コリメートレンズ、 25……偏向ミラー、27……放物面鏡、 29……ミラー、31……走査光学系、 35……光検出器（PSD）、 50……被計測物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平岡規之神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者塚原博之神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者須藤嘉規神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭58−60593（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−83470（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−108208（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源（21）からのレーザビームを平
行光に変換するコリメートレンズ（23）と、このレーザ
平行光を被計測物（50）に垂直に走査する走査光学系
（31）と、被計測物に対し垂直に近い所定の角度をな
し、走査ビームから所定の距離に配置され、被計測物か
らの斜め反射光を受けるミラー（29）と、該ミラーによ
る被計測物からの反射光を上記走査光学系を介して再結
像する結像レンズ（33）と、該結像レンズによる結像ビ
ームスポットを検出する光検出器（35）とを有し、上記
走査光学系（31）はレーザ平行光を所定方向に偏向する
偏向ミラー（25）と、その偏向光を反射して被計測物に
ビームを垂直に入射する放物面鏡（27）とを有し、上記
レーザビームの往路内に被計測物に反射され、往路を逆
行する復路のビームを偏光するλ/4板（36）と、その偏
光光を分離する偏光ビームスプリッタ（38）とを配置
し、更に、ビームスプリッタにより分離されたビームを
収束するレンズ（40）と、その収束光を検出する第２の
光検出器（35B）を付設したことを特徴とする３次元形
状測定用光学システム。
【請求項２】上記第２光検出器の手前には被計測物上の
ビーム照射点からの反射光を遮断するマスクを設けたこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】上記光検出器はPSDであり、第1PSDによる
被計測物の高さ情報はPSDの出力をI_a,I_bとした時、で表されることを特徴とする請求項１に記載の光学シス
テム。
【請求項４】上記第2PSDの出力をΔＩとした時に、第1P
SDの出力を第2PSDの出力により補正し、高さ情報を次式
により表示することを特徴とする請求項３に記載の光学
システム
【請求項５】レーザ光源（21）からのレーザビームを平
行光に変換するコリメートレンズ（23）と、このレーザ
平行光を被計測物（50）に垂直に走査する走査光学系
（31）と、被計測物に対し垂直に近い所定の角度をな
し、走査ビームから所定の距離に配置され、被計測物か
らの斜め反射光を受けるミラー（29）と、該ミラーによ
る被計測物からの反射光を上記走査光学系を介して再結
像する結像レンズ（33）と、該結像レンズによる結像ビ
ームスポットを検出する光検出器（35）とを有し、上記
走査光学系（31）はレーザ平行光を所定方向に偏向する
偏向ミラー（25）と、その偏向光を反射して被計測物に
ビームを垂直に入射する放物面鏡（27）とを有し、上記
光検出器はPSDであり、その両側に第２、第３のPSDを配
置したことを特徴とする３次元形状測定用光学システ
ム。
【請求項６】上記第１、第２、第3PSDの出力を夫々I_a,I
_b:I_c,I_d:I_e,I_fとした時、被計測物のたかさ情報は次式
で与えられることを特徴とする請求項５に記載の光学シ
ステム