JP3023955B2 - ３次元形状測定用光学システム - Google Patents
３次元形状測定用光学システムInfo
- Publication number
- JP3023955B2 JP3023955B2 JP10332533A JP33253398A JP3023955B2 JP 3023955 B2 JP3023955 B2 JP 3023955B2 JP 10332533 A JP10332533 A JP 10332533A JP 33253398 A JP33253398 A JP 33253398A JP 3023955 B2 JP3023955 B2 JP 3023955B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- mirror
- measured
- optical system
- reflected
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
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。
【０００２】
【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）を自動検査する有力な方法と
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。
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）を自動検査する有力な方法と
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。
【０００３】図１１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。図１１に示す物
体形状の場合、図１２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。
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。図１１に示す物
体形状の場合、図１２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。
【０００４】
【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。
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。
【０００５】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。
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。
【０００６】
【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、図
１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、該被計測物に対し垂直に近い所定の
角度をなし、該被計測物からの斜め反射光を受けるミラ
ー（２９）と、該ミラーによる該被計測物からの反射光
を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）は上記レーザ平行光を所
定方向に偏向する偏向ミラー（２５）と、その偏向光を
反射して上記被計測物に照射ビームを垂直に入射する放
物面鏡（２７）とを備えてなる３次元形状測定用光学シ
ステムであって、上記斜め反射光を受けるミラーが上記
放物面鏡からの照射ビームの近傍に配置されることによ
り、上記反射光が該照射ビームに近接した状態にて上記
走査光学系に入射した後、上記結像レンズに入射する再
帰反射系が形成されてなる。
め、本発明に係る３次元形状測定用光学システムは、図
１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、該被計測物に対し垂直に近い所定の
角度をなし、該被計測物からの斜め反射光を受けるミラ
ー（２９）と、該ミラーによる該被計測物からの反射光
を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）は上記レーザ平行光を所
定方向に偏向する偏向ミラー（２５）と、その偏向光を
反射して上記被計測物に照射ビームを垂直に入射する放
物面鏡（２７）とを備えてなる３次元形状測定用光学シ
ステムであって、上記斜め反射光を受けるミラーが上記
放物面鏡からの照射ビームの近傍に配置されることによ
り、上記反射光が該照射ビームに近接した状態にて上記
走査光学系に入射した後、上記結像レンズに入射する再
帰反射系が形成されてなる。
【０００７】上記放物面鏡の代わりにｆ・θレンズ４１
（図２）を用いることも考えられるが、これは本発明に
は含まれない。
（図２）を用いることも考えられるが、これは本発明に
は含まれない。
【０００８】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）とを付設す
ることができる。
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）とを付設す
ることができる。
【０００９】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ることが
できる。
ム照射点からの反射光を遮断するマスクを設けることが
できる。
【００１０】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Ｉa ，Ｉb とした時、 で表される。
時、第１ＰＳＤによる被計測物の高さ情報はＰＳＤの出
力をＩa ，Ｉb とした時、 で表される。
【００１１】第２ＰＳＤの出力をΔＩとした時に、第１
ＰＳＤの出力を第２ＰＳＤの出力により補正すれば、高
さ情報は次式により表示される。
ＰＳＤの出力を第２ＰＳＤの出力により補正すれば、高
さ情報は次式により表示される。
【００１２】第１ＰＳＤの両側に第２、第３のＰＳＤを
配置することも可能である。この場合、第１、第２、第
３ＰＳＤの出力を夫々Ｉa ，Ｉb ：Ｉc ，Ｉd ：Ｉ e ，
Ｉf とした時、被計測物の高さ情報は次式で与えられ
る。
配置することも可能である。この場合、第１、第２、第
３ＰＳＤの出力を夫々Ｉa ，Ｉb ：Ｉc ，Ｉd ：Ｉ e ，
Ｉf とした時、被計測物の高さ情報は次式で与えられ
る。
【００１３】図１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ビームスポットを走査す
る。
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ビームスポットを走査す
る。
【００１４】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。
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。
【００１５】
【００１６】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。
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。
【００１７】また、第１ＰＳＤの両側に第２、第３のＰ
ＳＤ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。
ＳＤ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。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を詳細に説
明する。図３，４に本発明の一実施例を示す。基本的に
は図１に示す構成と同様であり、対応する部品は図１と
同一番号で示し、重複説明を省略する。
明する。図３，４に本発明の一実施例を示す。基本的に
は図１に示す構成と同様であり、対応する部品は図１と
同一番号で示し、重複説明を省略する。
【００１９】図３，４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Ｌ
4 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図１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。
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Ｌ
4 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図１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。
【００２０】被計測物５０の近傍に配置されるミラー２
９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２９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
行な復路、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。
９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２９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
行な復路、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。
【００２１】次に、図４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。
５０の３次元形状（主に、高さ）の測定原理を説明す
る。
【００２２】図４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。図３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。
い部分をＡ、高い部分をＢで示す。図３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。
【００２３】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 Det
ector)を用いることが出来る（例えば、浜松ホトニクス
（株）社から市販されている）。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。
知の光点位置検出素子ＰＳＤ（Position Sensitive Det
ector)を用いることが出来る（例えば、浜松ホトニクス
（株）社から市販されている）。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。
【００２４】図５に示す如く、ＰＳＤ３５の２つの出力
端子の出力電流を夫々Ｉa ，Ｉb 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。 光強度＝ Ｉa ＋Ｉb …（２）
端子の出力電流を夫々Ｉa ，Ｉb 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。 光強度＝ Ｉa ＋Ｉb …（２）
【００２５】図２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。
・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。
【００２６】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。
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。
【００２７】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。
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。
【００２８】また、再結像レンズ３３の焦点距離及びＰ
ＳＤ３５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。
ＳＤ３５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。
【００２９】図６は図１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。
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。
【００３０】図６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Ｃ
ＰＵ５９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。
（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Ｃ
ＰＵ５９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。
【００３１】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。
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。
【００３２】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。
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。
【００３３】図７は本発明の別の実施例を示す。上述の
実施例（図３）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（図５）の出力
Ｉa ，Ｉb 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 ，Ｉ 2 とすると、実際の測
定値（出力電流）は夫々次式となる。 Ｉa ＝Ｉ1 ＋ΔＩ Ｉb ＝Ｉ2 ＋ΔＩ 従って、測定高さは次式であらわされる。
実施例（図３）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（図５）の出力
Ｉa ，Ｉb 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 ，Ｉ 2 とすると、実際の測
定値（出力電流）は夫々次式となる。 Ｉa ＝Ｉ1 ＋ΔＩ Ｉb ＝Ｉ2 ＋ΔＩ 従って、測定高さは次式であらわされる。
【００３４】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）。
（スポット光が中心に近づく）。
【００３５】図７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、（Ｉa ＋Ｉb ）からこの値を
引いて演算すればよい。
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、（Ｉa ＋Ｉb ）からこの値を
引いて演算すればよい。
【００３６】図７はその具体的な光学系を示すもので、
同図において、図３に示す実施例に対し、位置を求めよ
うとする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５
０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３３）と、第２の光検出器（ＰＳＤ）３５Ｂ（前
述のＰＳＤは第１ＰＳＤ３５Ａ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。
同図において、図３に示す実施例に対し、位置を求めよ
うとする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５
０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３３）と、第２の光検出器（ＰＳＤ）３５Ｂ（前
述のＰＳＤは第１ＰＳＤ３５Ａ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。
【００３７】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。
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。
【００３８】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。
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。
【００３９】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。
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。
【００４０】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。
【００４１】図８は図７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Ｉa ，Ｉb 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。
を示す。第１ＰＳＤ３５Ａに対しては、前述の実施例と
同様に両電流値Ｉa ，Ｉb 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。
【００４２】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２ＰＳ
Ｄ３５Ｂ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。
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２ＰＳ
Ｄ３５Ｂ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。
【００４３】ＰＳＤ３５Ａの和信号から第２ＰＳＤ３５
Ｂの増幅和信号を減算器７３により減算し、除算回路７
５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。
Ｂの増幅和信号を減算器７３により減算し、除算回路７
５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。
【００４４】図９，１０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２ＰＳＤ３５
Ｂ、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。
高さ計測用の第１ＰＳＤ３５Ａの両側に第２ＰＳＤ３５
Ｂ、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。
【００４５】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。
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。
【００４６】図１０に示す演算回路は図８と基本的に同
一であるが、それとは異なり、第２ＰＳＤ３５Ｂの和信
号と第３ＰＳＤ３５Ｃの和信号の平均値を第１ＰＳＤ３
５Ａ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。
一であるが、それとは異なり、第２ＰＳＤ３５Ｂの和信
号と第３ＰＳＤ３５Ｃの和信号の平均値を第１ＰＳＤ３
５Ａ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。
【００４７】図１０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、Ｉa ，Ｉb ：Ｉc ，Ｉd ：
Ｉe ，Ｉf は夫々、第１ＰＳＤ３５Ａ、第２ＰＳＤ３５
Ｂ、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。
号は次式で表される。但し、Ｉa ，Ｉb ：Ｉc ，Ｉd ：
Ｉe ，Ｉf は夫々、第１ＰＳＤ３５Ａ、第２ＰＳＤ３５
Ｂ、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。
【００４８】
【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。
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１】本発明に係る光学システムの基本原理を説明す
る図。
る図。
【図２】図１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。
ｆ・θレンズを用いた場合を示す図。
【図３】本発明の光学システムの一実施例を示す図。
【図４】図３に示す光学系の計測原理を説明する図。
【図５】本発明において用いられる光検出器の一例を示
す図。
す図。
【図６】画像処理回路の概要を示すブロック図。
【図７】本発明の別の実施例を示す図。
【図８】図７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。
すブロック図。
【図９】図７の更に別の実施例を示す図。
【図１０】図９に示す光学系に対する演算回路の一例を
示す図。
示す図。
【図１１】従来の光切断法による高さ測定方法を示す
図。
図。
【図１２】図１１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。
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60−55210（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−168007（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−101703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−55211（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−97505（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−60593（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−56704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−131053（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−108208（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−294218（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30
Claims (1)
- 【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、該被計測物に対し垂直に近い所定の
角度をなし、該被計測物からの斜め反射光を受けるミラ
ー（２９）と、該ミラーによる該被計測物からの反射光
を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）は上記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
て上記被計測物に照射ビームを垂直に入射する放物面鏡
（２７）とを備えてなる３次元形状測定用光学システム
であって、 上記斜め反射光を受けるミラーが上記放物面鏡からの照
射ビームの近傍に配置されることにより、上記反射光が
該照射ビームに近接した状態にて上記走査光学系に入射
した後、上記結像レンズに入射する再帰反射系が形成さ
れてなる ことを特徴とする３次元形状測定用光学システ
ム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10332533A JP3023955B2 (ja) | 1998-11-24 | 1998-11-24 | ３次元形状測定用光学システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10332533A JP3023955B2 (ja) | 1998-11-24 | 1998-11-24 | ３次元形状測定用光学システム |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63144846A Division JP2900940B2 (ja) | 1988-06-04 | 1988-06-14 | ３次元形状測定用光学システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11218416A JPH11218416A (ja) | 1999-08-10 |
| JP3023955B2 true JP3023955B2 (ja) | 2000-03-21 |
Family
ID=18255993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10332533A Expired - Lifetime JP3023955B2 (ja) | 1998-11-24 | 1998-11-24 | ３次元形状測定用光学システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3023955B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4696249B2 (ja) * | 2007-02-13 | 2011-06-08 | 国立大学法人 新潟大学 | 形状測定方法及び装置 |
-
1998
- 1998-11-24 JP JP10332533A patent/JP3023955B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11218416A (ja) | 1999-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0346015B1 (en) | Optical system for detecting three-dimensional shape | |
| US6825454B2 (en) | Automatic focusing device for an optical appliance | |
| JP2943499B2 (ja) | 高さ測定方法および装置 | |
| US6052189A (en) | Height measurement device and height measurement method | |
| JP2000230807A (ja) | 平行光を利用した距離測定方法とその装置 | |
| JP2510786B2 (ja) | 物体の形状検出方法及びその装置 | |
| US5329358A (en) | Device for optically measuring the height of a surface | |
| JP3023955B2 (ja) | ３次元形状測定用光学システム | |
| JP2900940B2 (ja) | ３次元形状測定用光学システム | |
| CA2034017C (en) | Scanning device for optically scanning a surface along a line | |
| JP3222214B2 (ja) | 対象面の位置検出装置 | |
| JPS61112905A (ja) | 光応用計測装置 | |
| JP2582007Y2 (ja) | 干渉計 | |
| JP2830915B2 (ja) | 粒径分布測定装置 | |
| JPH08219733A (ja) | 三次元スキャナ | |
| JP2749900B2 (ja) | 位置検出方法 | |
| JP3064517B2 (ja) | 実装済プリント基板の検査装置 | |
| JPH10227617A (ja) | 微小線幅測定方法及び微小線幅測定装置 | |
| JPH06117852A (ja) | 光学式変位計 | |
| JP2000046526A (ja) | 隙間測定装置 | |
| JPS59138916A (ja) | 距離測定装置 | |
| JPH0697311B2 (ja) | 光偏向器の動的面出入り測定装置 | |
| JPH05157700A (ja) | 面状態検査装置 | |
| JPH03238307A (ja) | 外径測定装置 | |
| JPS6024424B2 (ja) | 異常検出装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19991207 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080121 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090121 Year of fee payment: 9 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090121 Year of fee payment: 9 |