JP5431221B2

JP5431221B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP5431221B2
Application number: JP2010065231A
Authority: JP
Inventors: 武史林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP2011196883A

Description

本発明は、光学式の距離測定装置に係り、特に、その距離測定装置の機能の改良に関する。

従来から被測定物との距離を非接触で求める光学方式の距離測定装置がある。この装置は、例えば、図７に示すように、被測定物７の表面に対して鉛直方向からレーザビームを光源部１０ａから照射し、被測定物７の表面の鉛直方向の変化を反射光の受光位置の変化としてカメラ１０ｂで検出し、被測定物７の基準表面の位置からの変化を距離として求めるようにしている。

一般に、この場合に使用されるカメラ１０ｂは、図７（ａ）に示すようなエリアスキャン型のＣＣＤカメラや、レーザビームの光軸と受光するカメラ１０ｂの光軸とが同一平面上にある図７（ｂ）に示すようなラインスキャン型のＣＣＤカメラが使用される。

このような光学方式の距離測定装置は、光の反射パターンが被測定物７の表面の租度などの状態や傾斜等の形状の状態により変化するので、測定誤差が発生する。

そのため、複数のビームを照射して測定精度を向上させる技術（例えば、特許文献１参照。）や、傾斜状態を検出して測定誤差を補正する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第３９６６８０４号公報特開平５−２７２９６９号公報

特許文献１や特許文献２に開示されたこのような光学方式の距離測定装置は、図７（ｂ）に示すように、距離の測定範囲Ｄを拡大と測定分解能の向上とは、相反する関係にある。

測定範囲Ｄを拡大する場合には、使用するカメラ１０ｂのビット数を増やしたり、測定分解能をあげる場合には、測定範囲Ｄを狭く設定したりする必要があるので、距離測定装置として測定の自由度が不足する問題がある。

また、特許文献１や特許文献２には、被測定物７の表面に照射したレーザビームのパターン変化から測定誤差を補正する技術は開示されている。

しかしながら、このような微小空間よりも広い空間において、距離の測定と被測定物の傾斜の状態とを同時に求める技術は知られていない。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、測定範囲の拡大や分解能の向上が容易に行え、且つ、被測定物の傾斜角度の検出が可能な、自由度の高い構成の距離測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による請求項１に係る距離測定装置は、被測定物と当該被測定物の基準表面との距離を求める距離測定装置であって、前記被測定物の基準表面に対してその鉛直方向から、予め設定する間隔で２つのレーザビームを照射する光源部と、前記被測定物の表面で反射した前記２つのレーザビームの反射光を予め定める受光角度で受光するカメラと、前記光源部と前記カメラとを固定するベースと、前記基準表面の鉛直方向の位置と、前記カメラで検出した前記２つのレーザビームの位置とを予め対応付けした校正テーブルを記憶し、前記カメラで検出した前記２つのレーザビームの位置から、前記基準表面と前記被測定物の表面との距離を求める距離演算部とを備え、前記距離演算部は、前記カメラの検出信号から前記２つのレーザビームの数と夫々のレーザビームに対応する前記校正テーブルを参照して異なる分解能で夫々の前記距離を求め、前記距離と対応する前記２つのレーザビームとを対応付けて出力するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、測定範囲の拡大や分解能の向上が容易に行え、且つ、被測定物の傾斜角度の検出が可能な、自由度の高い構成の距離測定装置を提供することができる。

本発明の実施例１の構成図。本発明の距離演算部の構成を説明する図。本発明の校正テーブルの例。本発明の距離演算部の処理動作を説明するフローチャート。本発明の実施例２の構成図。本発明の実施例２の動作を説明する図。従来の距離測定装置の構成図。

以下、図面を参照して説明する。

本発明の実施例を図１乃至図４を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の構成と距離検出部１の光学条件の設定例を説明する図である。図１（ｂ）は、被測定物７が、鉛直軸ｚ方向に移動した場合の２つのビームＢ１、Ｂ２の位置を、カメラ１ｃで回転矢印方向にスキャンした場合のモニタ画像を示す。

また、破線は光源部１ａから照射する２つのビームＢ１、Ｂ２と、カメラ１ｃの測定範囲ｗとを図示したものである。

図１（ａ）に示すように、本発明の距離測定装置の構成は、被測定物７の基準表面（ｚ＝０）と基準表面からの移動位置を求める距離測定装置であって、距離検出部１と距離演算部２とで構成される。

次に、距離検出部１は、この被測定物７の基準表面に対してその鉛直軸ｚ方向から、予め設定する間隔で２つのレーザビームＢ１、Ｂ２を照射する光源部１ａと、被測定物７の表面で反射した２つのレーザビームＢ１、Ｂ２の反射光を予め定める受光角度θで受光するカメラ１ｃと、光源部１ａとカメラ１ｃとを固定するベース１ｄとを備える。

距離演算部２は、基準表面（ｚ＝０）からの鉛直軸ｚ方向の移動位置（距離）とカメラ１ｃで検出した２つのレーザビームＢ１、Ｂ２の位置とを予め対応付けした校正テーブルに記憶し、カメラ１ｃで検出した２つのレーザビームＢ１、Ｂ２の位置から、被測定物７の基準表面からの距離を求める距離演算部２とを備える。

この距離演算部２の構成は、図２に示すように、カメラ１ｃからのビデオ信号を取り込む入力インタフェース部２ａと、この距離演算部２の処理を実行するＣＰＵ２ｂと、入力インタフェース部２ａを介して取り込まれたカメラ１ｃのデータと、後述する校正テーブルと、図示しないこの距離演算部２が実行する予め設定されるプログラムとそのデータとを記憶するメモリ部２ｃと、距離演算部２で求めた出力を外部に送るための出力インタフェース部２ｄとを備える。

この距離演算部２は、一般に、ラインスキャン型、または、エリアスキャン型の何れかのカメラ１ｃのビデオ信号をメモリ部２ｃに記憶し、記憶したデータから予め設定したプログラムで距離測定に要求される処理する画像処理機能を備えたものであれば良く、要求される処理機能や処理速度に応じて適宜最適な構成の画像処理装置が選択できる。

次に、再び図１（ａ）を参照して、距離検出部１の詳細構成について説明する。光源部１ａは、被測定物７の基準表面（ｚ＝０）の位置において、予め設定するビームサイズとビーム間隔Ｄｂとになるような２つのレーザビームＢ１（黒色丸印）及びレーザビームＢ２（白色丸印）を、図示しないレーザ光源とそのコリメータによって生成する。

この２つのレーザビームＢ１、Ｂ２は、被測定物７の基準表面に対し、その鉛直軸ｚ方向から平行に照射することが望ましいが、要求される精度を満たす範囲内で不平行であっても良い。

また、カメラ１ｃは、ラインスキャン型、または、エリアスキャン型のいずれのタイプでも良いが、ラインスキャン型の場合、２つのレーザビームＢ１、Ｂ２の光軸平面と受光するカメラ１ｃの光軸とは同一平面上となるようにし、被測定物７の表面の鉛直軸ｚ方向の移動範囲に対して必要な受光光量が得られるようなに、受光角θとその測定の視野ｗが設定される。

エリアスキャン型は、幾何学的な光学条件の設定の自由度が増す反面、処理するデータ量が多くなる。以下の説明では、設定されたカメラ１ｃは、ラインスキャン型のＣＣＤカメラとして説明する。

また、ベース１ｄは、このような光源部１ａの投光角度とカメラ１ｃの受光角度とを固定するもので、通常は、１つの箱に収められる場合が多い。

図１に示すように、このように構成された距離検出部１のレーザビームＢ１の距離測定範囲Ｚ_Ｂ１は、鉛直軸ｚ方向の最上部ｚ＝Ｚ_Ｔから最下部Ｚ_ＢＴの距離測定範囲を示し、これがカメラの水平軸ｘ方向の測定範囲ｗに対応する。

また、レーザビームＢ２の距離測定範囲Ｚ_Ｂ２は、鉛直軸ｚ方向の最上部ｚ＝Ｚ_Ｔ１から最下部ｚ＝Ｚ_Ｌの距離測定範囲を示し、これがカメラ１ｃの水平軸ｘ方向の視野、即ち、測定範囲ｗに対応する。この時、レーザビームＢ２を備えたことで、測定範囲は、従来の距離測定範囲Ｚ_Ｂ１は、Ｚ_Ｂ１２分増大したことになる。

２つのレーザビームＢ１とレーザビームＢ２との間の距離Ｄｂは、光源部１ａにおいて、２本のレーザビームを結ぶ水平軸ｘ方向でのカメラ１ｃの測定範囲（視野）の１／２以下の間隔となるように生成する。

この理由は、カメラ１ｃの測定視野にレーザビームＢ１、Ｂ２が１つになった場合に検出されたカメラ信号が、２つのレーザビームの何れのレーザビーム信号であるのかを識別し、カメラ１ｃで検出された中央から右はレーザビームＢ１を、また、中央から左はレーザビームＢ２を用いて距離を求めるようにすることにある。

また、このように設定された距離測定装置では、カメラ１ｃから２つのレーザビームＢ１、Ｂ２が検出された場合に、それぞれの距離を測定するとともに、その距離差と水平方向のレーザビーム間の距離Ｄｂとから、水平軸ｘに対する被測定物７の傾斜を求めることが出来る。

また、レーザビームＢ１の測定範囲Ｚ_Ｂ１と、レーザビームＢ２の測定範囲Ｚ_Ｂ２とでは、距離測定の範囲が異なるので、測定範囲の広いレーザビームＢ２の方の分解能が低下する。これは、予め要求される測定範囲と分解能とから、最適な基準表面の位置とその測定範囲とが得られるように設定しておく。

次に、図３を参照して、校正テーブルの作成方法について説明する。図３（ａ）は、横軸を被測定物７表面の位置、縦軸をカメラ１ｃの受光位置とし座標に、レーザビームの移動軌跡の例をプロットしたものである。

また、図３（ｂ）は、被測定物７をｚ軸方向に予め定められる測定ピッチで移動し、この時、２つのレーザビームＢ１、Ｂ２を１０００Ｂｉｔ（Ｃｎ＝１０００）のカメラ１ｃで受光した時のビーム検出位置とを対応付けて生成した校正テーブルの例を示す。

例えば、被測定物７がｚ=０の位置では、レーザビームＢ１は５００Ｂｉｔで、レーザビームＢ２は１０００Ｂｉｔの位置で検出したことを示す。このような校正テーブルを予め作成しておき、距離測定時においては、検出されたＢｉｔ位置（アドレス）のデータから対応する被測定物７の位置を求める。

一般に、カメラ１ｃのビット数（Ｃｎ）以上の分解能を求める場合は、内挿法で直線近似補正する方法があるが、こと方法は本実施例の場合にも適用できる。

次に、このように校正された距離測定装置の距離演算部２の処理動作の例を図４のフローチャートを参照して説明する。カメラ１ｃで検出されたビームの画像データは、入力インタフェース部２ａを介して、一旦、メモリ部２ｃに記憶される。この画像データから、先ず、そのビーム本数が１本か、２本かを判定する（ｓ１）。

一本の場合そのビームの検出位置（アドレス）から、そのビームがレーザビームＢ１かレーザビームＢ２かを判定する。中央から右で検出された場合には、レーザビームＢ１と判定し、中央から左で検出された場合はレーザビームＢと判定する（ｓ２）。

次に、夫々のレーザビームデータの距離は、夫々の対応する校正テーブルを参照して求める（ｓ３、ｓ４）。

２本のレーザビームが検出された場合、スキャン方向開始点側（左側）のレーザビームをＢ１とし、右側をＢ２と判定し、夫々の距離を求める（ｓ５）。

次に、距離の差が、予め設定した差以上の場合には、傾斜演算を行い、その測定点での被測定物７の傾斜データとして、出力する（ｓ６）。

この傾斜演算は、Δｄ／Ｄｂｘとして求める。ここで、Δｄは、レーザビームＢ１とＢ２との間の距離の差を示し、Ｄｂｘは、この距離検出位置でのレーザビームＢ１とＢ２間の水平軸ｘ方向の距離を示す。即ち、Ｄｂｘの値は、基準表面の位置での距離Ｄｂと異なる場合があるので、予めｚ軸方向の距離とビーム間の距離とを対応付けした校正値をテーブル化しておくと良い。

以上述べたように、本実施例に拠れば、２つのレーザビームの数と夫々のレーザビームに対応する距離の校正テーブルを参照して、２つの異なる分解能で夫々の距離を求めることができるので、要求される測定精度を基準表面として設定し、さらに測定範囲を拡大することや、その測定点で同時刻での被測定物の傾斜を正確に求めることが出来る。

このような測定範囲の拡大や、傾斜測定機能を備えた距離測定装置によれば、例えば、特許文献１の実施例２に記述された厚さ測定に使用した場合、測定範囲の拡大と、距離測定位置で、且つ同時刻の傾斜の補正による測定精度の向上とが得られる効果がある。

図５及び図６を参照して、本発明の実施例２について説明する。図５に示す実施例２について、実施例１と同じ部分は同一の符号を付しその説明を省略する。実施例２が実施例１と異なる点は、実施例１では、光源部１ａには２つのレーザビームＢ、Ｂ２を照射し、予め設定されたビーム間距離は２つのビームが識別可能な距離以下に御設定したが、実施例２の光源部１ｂは、３つのレーザビームを平行に照射するレーザビームスプリッタを備え、さらに，夫々のレーザビームのビームパターンを異なるパターンとし、距離演算部２では、夫々のビームパターンを識別して対応するレーザビーム毎の校正テーブルを選択して距離を求めるようにした点にある。

図５に示すように、３つ目のレーザビームＢ３を照射し、その測定範囲Ｚ_Ｂ３としてさらに測定範囲を拡大する。また、図６に示すように、距離演算部２では、２つ、または３つのレーザビームが検出された場合、隣り合うレーザビームを使用して傾斜計算をすることが出来る（ｓ１５）。

このように構成された距離測定装置によれば、レーザビームの識別が容易に成るので、ビーム間の設定範囲の自由度が増すとともに、さらに測定範囲の拡大が図れる効果がある。

尚、本発明は上述した実施例のみに限定されるものでなく、複数のレーザビームを照射し、夫々のレーザビームを識別して測定距離の拡大と、異なる分解能で被測定物の距離を求めるようにしたものであれば良く、そのビームパターンや、レーザビームの投受光角度は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

１距離検出部
１ａ、１ｂ光源部
１ｃカメラ
１ｄベース
７被測定物
２距離演算部
２ａ入力インタフェース部
２ｂＣＰＵ
２ｃメモリ部
２ｄ出力インタフェース部
１０距離検出部
１０ａ光源部
１０ｂカメラ

Claims

被測定物と当該被測定物の基準表面との距離を求める距離測定装置であって、
前記被測定物の基準表面に対してその鉛直方向から、予め設定する間隔で２つのレーザビームを照射する光源部と、前記被測定物の表面で反射した前記２つのレーザビームの反射光を予め定める受光角度で受光するカメラと、前記光源部と前記カメラとを固定するベースとを備える距離検出部と、
前記基準表面の鉛直方向の位置と、前記カメラで検出した前記２つのレーザビームの位置とを予め対応付けした校正テーブルを記憶し、前記カメラで検出した前記２つのレーザビームの位置から、前記基準表面と前記被測定物の表面との距離を求める距離演算部と
を備え、
前記距離演算部は、前記カメラの検出信号から前記２つのレーザビームの数と夫々のレーザビームに対応する前記校正テーブルを参照して異なる分解能で夫々の前記距離を求め、前記距離と対応する前記２つのレーザビームとを対応付けて出力するようにしたことを特徴とする距離測定装置。
前記カメラは、ラインセンサ型のＣＣＤカメラとし、
前記ベースは、前記レーザビームの照射光軸と前記カメラの受光光軸とが同一平面上となるように設定し、
前記光源部は、前記基準表面における前記２つのレーザビームの間隔が前記２つのレーザビームを結ぶ水平軸方向での前記カメラの測定範囲の１／２以下の間隔となるように前記２つのレーザビームを生成する請求項１に記載の距離測定装置。
前記２つのレーザビームが検出された場合、夫々の距離を求め、求めた距離に相違がある場合には、その差から傾斜角度を求める傾斜演算部を備えた請求項１に記載の距離測定装置。