JP3779399B2 - 3次元計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット・FA機器等における画像認識による3次元計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ロボット・FA機器等における画像認識による3次元計測装置の従来例を図5〜図9に基づいて説明する。
【0003】
従来例の側面図である図5と正面図である図6とにおいて、1aはレーザ光を発光する半導体レーザ、3はレーザ光を細いビームに集光整形する集光整形レンズ、4はレーザビームを反射するミラー、5はミラー面に当たったレーザビームを回転によって角θ振らせるポリゴンミラー、6、6、6はポリゴンミラー5で角θ振られているレーザビームを光軸に平行に光路変更させ後述の計測対象物7に垂直に投射して走査するレンズ群からなるF−θレンズ、7は計測対象物、8a、8bは計測対象物7に当たって乱反射するレーザビームを後述の半導体位置検出素子(PSD)9a、9b上の1点に結像させる結像レンズである。
【0004】
図5において、上記に合わせて計測対象物7を矢印の方向に移動させると、図8に示すように、レーザビームが計測対象物7上を所定の計測分解能に合わせた間隔で走査する。
【0005】
前記の半導体位置検出素子(PSD)9a、9bによる計測対象物7上の高さの測定方法を図9に基づいて説明する。
【0006】
図9において、F−θレンズ6から紙面に垂直方向に走査して計測対象物7上に投射されるレーザビームが計測対象物7から乱反射する。この場合、投射された点が計測対象物7上の高さ0のA1 点と高さHのB1 点とであるとすると、乱反射したレーザ光は結像レンズ8aによって集光され、夫々が半導体位置検出素子(PSD)9a上のA2 点とB2 点とに結像する。その結果、A2 点とB2 点とに起電力が発生し、夫々C点から電流I1 、I2 、D点から電流I3 、I4 が取出される。電流I1 、I3 はA2 C間の距離(xA )とA2 D間の距離とに比例する抵抗によって決まり、電流I2 、I4 はB2 C間の距離(xB )とB2 D間の距離とに比例する抵抗によって決まるので、PSD9aの長さをLとすると、図のxA 、xB は次式のようにして決まる。
【0007】
xA =LI3 /(I1 +I3 )
xB =LI4 /(I2 +I4 )
従って、図のH’は次式で決まり、これに基いて前記高さHが決定される。
【0008】
H’=xA −xB
次に、従来例の動作を回路構成を示す図7に基づいて説明する。
【0009】
図7において、9aはPSD、21aと21bとは図9のI1 (I2 )とI3 (I4 )を電圧に変換する電流・電圧変換回路、22aと22bとは図9のI1 I2 )とI3 (I4 )が変換された電圧を増幅する増幅回路、23aと23bとは増幅された電圧のアナログ−ディジタル変換回路、24はディジタル信号を処理して高さを演算するディジタル信号処理回路(DSP)である。以下、これらの回路全体をPSD−DSP回路と呼ぶことにする。
【0010】
図7のPSD−DSP回路30aと30bは、図5に示すPSD9aと9bとに対応するものであり、図5に示すように、計測対象物7の左右にあって、その方向に乱反射してきたレーザ光から、図9のxA とxB とを求める。
【0011】
31は、PSD−DSP回路30a、30bと、後述の選択・平均処理回路32の動作に対するクロック発生回路である。
【0012】
32は、求められた図9のxA とxB とから異常値を取り除き平均値を求めて妥当な値の高さHを得るために、前記クロック発生回路31のクロックに基づいて、PSD−DSP回路30a、30bのデータから異常なデータを除いて正常なデータのみを選択し、PSD−DSP回路30a、30bからのデータの平均値を求める選択・平均処理回路である。
【0013】
33は、前記クロック発生回路31のクロックに基づいてタイミング信号を発生するタイミング発生回路である。
【0014】
34は、前記選択・平均処理回路32からのデータを、前記タイミング信号に基づいて記憶する画像メモリであり、このメモリから3次元計測処理を行う。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例の3次元計測装置を電子部品実装機に取り付けて電子部品の実装状態を計測・検査する場合、現在の電子回路技術で可能な限界の高速処理を行っても、1個の電子部品の計測・検査のタクトが0.5〜1.0秒になり、これは電子部品実装機自身の実装タクトより長く、電子部品実装装置全体の実装タクトが3次元計測装置の計測・検査タクトによって制限されるという問題がある。
【0016】
従来例の3次元計測装置の計測・検査タクトが長い理由は、PSD自身の応答速度に限界があること、PSDからの電流が微小電流であるので電流−電圧変換に際してノイズの除去等のために時間がかかること、12桁程度のビット長のアナログ−ディジタル変換の高速化が困難なこと等であり、これらの高速化は当面実現困難である。
【0017】
本発明は、PSD自身の応答速度、微小電流の電流−電圧変換、アナログ−ディジタル変換等の速度は従来のままで、3次元計測のタクトを早くする3次元計測装置の提供を課題とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本願第1発明の3次元計測装置は、上記の課題を解決するために、波長が異なるレーザ光を発光する複数のレーザと、前記複数のレーザ光を複数の細いレーザビームに集光整形し、その複数の細いレーザビームを計測対象物上におけるレーザビームの走査方向と直角方向に等間隔に配列する配列集光光学系と、前記配列集光光学系からの前記複数のレーザビームを前記計測対象物上で複数行同時走査させる走査光学系と、前記複数のレーザビームの前記計測対象物からの乱反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系からの複数の集光を複数方向に分光し波長フイルターを通して前記各波長毎の集光に分光する分光光学系と、前記の各波長に分光された各集光をそれぞれ別個に受光する複数の半導体位置検出素子と、前記半導体位置検出素子からのデータを演算して高さ画像データを求める演算回路と、前記演算回路からの高さ画像データを記憶する画像メモリとを有することを特徴とする。
【0019】
従って、本願第1発明は、平行・等間隔の複数のレーザビームで計測対象物上を復数行同時走査することにより、計測・検査のタクトが同時走査行数に反比例して短くなるので、電子部品実装機に取り付けた場合、従来例における3次元計測装置の計測・検査のタクトが電子部品実装機の実装タクトを制限するという問題が解消し、電子部品実装機の実力をそのまま発揮できるようになる。
【0020】
本願第2発明の3次元計測装置は、上記の課題を解決するために、本願第1発明の3次元計測装置において、演算回路と画像メモリとの間に、前記演算回路が復数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えるバッファメモリを設けることを特徴とする。
【0021】
従って、本願第2発明は、復数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えることにより、復数行同時走査データの処理が非常に簡単・容易になる。
【0022】
又、本願第1、第2発明は、配列集光光学系を複数のレーザ光を平行に等間隔に配列する複数のハーフミラーと細いレーザビームに集光整形する集光整形レンズとで構成し、走査光学系をポリゴンミラーとF−θレンズとで構成することにより、構造が簡単になる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の3次元計測装置の一実施の形態を図1〜図5に基づいて説明する。
【0024】
本実施の形態の側面図である図1と本実施の形態の正面図である図2とにおいて、1a、1b、1cは、夫々の波長が異なるレーザ光12a、12b、12cを発光する半導体レーザであり、これらのレーザ光が所定の計測分解能に等しい間隔の平行ビームを形成する位置に前記半導体レーザ1a、1b、1cが配置されている。
【0025】
2a、2bはハーフミラーであり、ハーフミラー2aはレーザ光12aを透過させレーザ光12bを反射させ、ハーフミラー2bはレーザ光12aと12bとを透過させレーザ光12cを反射させて、レーザ光12aと12bと12cとの向きを同一方向に揃え、所定間隔の平行光線として、集光整形レンズ3に投射する。
【0026】
集光整形レンズ3は、上記の所定間隔で平行なレーザ光12aと12bと12cとを細いレーザビームに整形する。
【0027】
ミラー4は、上記の所定間隔で平行な細いレーザビーム12aと12bと12cとを反射してポリゴンミラー5に投射する。
【0028】
ポリゴンミラー5は、ミラー面に当たったレーザビームを回転によって角θ振らせるものであり、上記の所定間隔で平行な細いレーザビーム12aと12bと12cとを、図1では紙面に垂直に図2では紙面に平行に角θ振って走査する。
【0029】
F−θレンズ6、6、6はポリゴンミラー5で角θ振られているレーザビームを光軸に平行になるように光路変更させ後述の計測対象物7に垂直に投射し走査するレンズ群からなる。
【0030】
計測対象物7を矢印の方向に移動させることにより、上記の所定間隔で平行な細いレーザビーム12aと12bと12cとが、3本並んで計測対象物7上に垂直に投射されながら走査し、計測対象物7の表面から乱反射する。
【0031】
結像レンズ8a、8bが、図1に示すように、計測対象物7の左右に設置されて、計測対象物7の表面に所定間隔で平行に投射され走査されて乱反射したレーザビーム12aと12bと12cとの乱反射光線を、半導体位置検出素子(PSD)9a〜9f上に結像させる。
【0032】
結像レンズ8aと半導体位置検出素子(PSD)9a〜9cとの間には、結像レンズ8aを通過した所定間隔のレーザビーム12aと12bと12cとを半導体位置検出素子(PSD)9aと9bと9cとに分けて投射するハーフミラー10aと10bとがあり、結像レンズ8bと半導体位置検出素子(PSD)9d〜9fとの間には、結像レンズ8bを通過した所定間隔のレーザビーム12aと12bと12cとを半導体位置検出素子(PSD)9dと9eと9fとに分けて投射するハーフミラー10cと10dとがある。
【0033】
レーザ光12aの波長を透過させるフイルター11aと11dとが、半導体位置検出素子(PSD)9aと9dとの前に設置され、レーザ光12bの波長を透過させるフイルター11bと11eとが、半導体位置検出素子(PSD)9bと9eとの前に設置され、レーザ光12cの波長を透過させるフイルター11cと11fとが、半導体位置検出素子(PSD)9cと9fとの前に設置される。
【0034】
図1において、上記に合わせて計測対象物7を矢印の方向に移動させると、図4に示すように、3本のレーザビームが計測対象物7を所定の計測分解能に合わせた間隔で平行に同時走査する。
【0035】
次に、本実施の形態の動作を回路構成を示す図3に基づいて説明する。
【0036】
本実施の形態は、図4に示すように3本のレーザビームが計測対象物7を所定の計測分解能に合わせた間隔で平行に同時走査しているので、図3に示すように、図7に示す従来例の回路構成を3系統並列に有している。これにより、本実施の形態の3次元計測装置はコスト高になるが、計測・検査のタクトが1/3に短くなるので、電子部品実装機に取り付けた場合、従来例における3次元計測装置の計測・検査のタクトが電子部品実装機の実装タクトを制限するという問題が解消し、電子部品実装機の実力をそのまま発揮できるようになる。
【0037】
又、本実施の形態は、図3に示すように、並列に並べられた3系統の選択・平均処理回路32a、32b、32cからのデータを高さ画像データとして画像メモリ35に取り込む際に、バッファメモリ34a、34b、34cを使用して時分割し並べ替えて連続した1系統の高さ画像データとして画像メモリ35に取り込んでいる。以下に詳細に説明する。
【0038】
図3において、PSD−DSP回路30aと30b、PSD−DSP回路30cと30d、PSD−DSP回路30eと30fが、図1の半導体位置検出素子(PSD)9aと9d、半導体位置検出素子(PSD)9bと9e、半導体位置検出素子(PSD)9cと9fに対応している。そして、図1に示すように、計測対象物7から乱反射したレーザ光を左右対称に処理するのは、光学的な死角を無くする効果があり、左右2系統で得られるデータから異常値を取り除いて平均値を求めれば、適性な値の高さHを得ることができるからである。
【0039】
図3において、バッファメモリ34a、34b、34c以外は従来例と同じなので説明を省略し、以下に、バッファメモリ34a、34b、34cについて説明する。
【0040】
本実施の形態の3次元計測装置では、図3に示すように、クロック発信回路31からのクロックに基づいて各部分は同期しており、このクロックを基にしてタイミング発生回路33がタイミング信号を発生し各部分はこのタイミング信号に合わされて動作する。
【0041】
本実施の形態では、図1において、計測対象物7が矢印の方向に従来例の3倍の速さで移動し、図4において、レーザ1bからのレーザビームの軌跡は、計測対象物7の上で、3m行から3(m+1)行に飛んでいる。この飛びがあると、選択・平均処理回路32aからのデータを画像メモリ35に取り込んで処理することが非常に面倒になる。この解決方法として、本実施の形態では、図3に示すように、選択・平均処理回路32a、32b、32cの次に、バッファメモリ34a、34b、34cを置いている。
【0042】
本実施の形態では、計測対象物7上での走査は、レーザ1bからのレーザビーム、レーザ1aからのレーザビーム、レーザ1cからのレーザビームの順に繰り返し並んでいる。従って、バッファメモリ34b、34a、34cにより夫々に合った遅延時間を与え、前記の3系統の並列出力を時分割して並べ替えると、前記の3系統の出力を直列に並べ替えることができる。
【0043】
上記によると、半導体位置検出素子(PSD)9a〜9fの出力は現在では実力的に10MHz程度が最高であるが、3系統のデータを直列に並べると、1系統で30MHzの出力の半導体位置検出素子を使用するのと同じ結果が得られる。
【0044】
【発明の効果】
本願第1発明は、平行・等間隔の複数のレーザビームで計測対象物上を復数行同時走査することにより、計測・検査のタクトが同時走査行数に反比例して短くなり、電子部品実装機に取り付けた場合、従来例における3次元計測装置の計測・検査のタクトが電子部品実装機の実装タクトを制限するという問題を解消することができ、電子部品実装機の実力をそのまま発揮できるようになるという効果が得られる。
【0045】
本願第2発明の3次元計測装置は、復数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えることにより、復数行同時走査データの処理が非常に簡単・容易になるという効果が得られる。
【0046】
又、本願第1、第2発明は、配列集光光学系を複数のレーザ光を平行に等間隔に配列する複数のハーフミラーと細いレーザビームに集光整形する集光整形レンズとで構成し、走査光学系をポリゴンミラーとF−θレンズとで構成することにより、構造が簡単になるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の構成を示す側面図である。
【図2】本発明の一実施の形態の構成を示す正面図である。
【図3】本発明の一実施の形態の回路構成図である。
【図4】本発明の一実施の形態のレーザビームの走査の軌跡を示す図である。
【図5】従来例の構成を示す側面図である。
【図6】従来例の構成を示す正面図である。
【図7】従来例の回路構成図である。
【図8】従来例のレーザビームの走査の軌跡を示す図である。
【図9】半導体位置検出素子(PSD)の動作を示す図である。
【符号の説明】
1a、1b、1c 半導体レーザ
2a、2b ハーフミラー
3 集光整形レンズ
4 ミラー
5 ポリゴンミラー
6 F−θレンズ
7 計測対象物
8a、8b 集光レンズ
9a〜9f 半導体位置検出素子(PSD)
10a〜10d ハーフミラー
11a〜11f フイルター
12a、12b、12c レーザ光
21a、21b 電流−電圧変換回路
22a、22b 増幅回路
23a、23b アナログ−ディジタル変換回路
30a〜30f PSD−DSP
31 クロック発生回路
32a、32b、32c 選択・平均処理回路
33 タイミング発生回路
34a、34b、34c バッファメモリ
35 画像メモリ
Claims (3)
- 波長が異なるレーザ光を発光する複数のレーザと、前記複数のレーザ光を複数の細いレーザビームに集光整形し、その複数の細いレーザビームを計測対象物上におけるレーザビームの走査方向と直角方向に等間隔に配列する配列集光光学系と、前記配列集光光学系からの前記複数のレーザビームを前記計測対象物上で複数行同時走査させる走査光学系と、前記複数のレーザビームの前記計測対象物からの乱反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系からの複数の集光を複数方向に分光し波長フイルターを通して前記各波長毎の集光に分光する分光光学系と、前記の各波長に分光された各集光をそれぞれ別個に受光する複数の半導体位置検出素子と、前記半導体位置検出素子からのデータを演算して高さ画像データを求める演算回路と、前記演算回路からの高さ画像データを記憶する画像メモリとを有することを特徴とする3次元計測装置。
- 請求項1記載の3次元計測装置において、演算回路と画像メモリとの間に、前記演算回路が複数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えるバッファメモリを設けることを特徴とする3次元計測装置。
- 配列集光光学系は複数のレーザ光を平行に等間隔に配列する複数のハーフミラーと細いレーザビームに集光整形する集光整形レンズとからなり、走査光学系はポリゴンミラーとF−θレンズとからなる請求項1または2記載の3次元計測装置。
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