JPH03269206A - ３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 物体の３次元形状を光学的に計測する装置に関し、 光学的理由に起因する測定誤差を除去して測定精度を向
上させることを目的とし、 レーザビームを被計測物体に走査し、その反射光から光
位置センサにより三角測量法の原理に基づき物体の３次
元形状を計測する３次元形状計測装置において、光位置
センサからの信号に基づき物体の高さを演算する高さ演
算回路と、Ｘ方向走（１） （２） 査に関する所定の光学的原因に起因する誤差データを予
め記憶する補正データメモリと、高さ演算回路により求
めた高さデータから上記誤差データを減算する減算回路
とを有して構成する、あるいはこの減算値をＸ方向走査
に関する上記補正データとは異なる補正データで除算す
る除算回路を更に有して構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は物体の３次元形状を光学的に非接触で計測する
装置に関する。

〔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。

第３図に三角測量法による物体の高さ計測方法（１次元
走査）の原理を示す。

同図において、被計測物体１０の真上からレーザ光りを
レンズ１５を介してスポット光として照射しこれをガル
バノミラ−１７によりＸ方向に走査させ、物体１０上の
スポット光を斜め方向からレンズ１９を介して光位置セ
ンサ（ＰＳＤ）１３に結像させる。その光（像）の位置
から物体の高さを検出することができる。この計測は「
三角測量法」の原理に基づくものであるがその原理自体
は周知のものでありここでは詳述しない。物体１０はＸ
方向に動くステージ１２上に載置され、従って物体１０
をＸ方向に移動させながら計測することにより全体形状
（高さ）を検出する。光位置センサ１３と結像レンズ１
９は物体１０の移動に追従して動く。この方式を以下、
１次元走査型と呼ぶ。

これとは別に、第４図はｘｙガルバノミラ−１７′を用
いた２次元走査式高さ計測方法を示す。

この公知例は、ｘｙ　（２次元）ガルバノミラ−１７′
を用いてレーザビームＬをラスク走査し、物体１０の全
面の高さ（三次元形状）を計測するもの（３） （４） である。この場合は光位置センサ１３と結像レンズ１９
は原則として固定である。また可動ステージも不要であ
る。以下、第４図に示すものを２次元走査型と呼ぶ。

〔発明が解決しようとする課題〕

前者（１次元走査型）の場合には、主として次のような
光学的な原因によって、高さの計測誤差が生じるのを避
は難い。

■　光の走査が直線から外れている（ガルバノミラ−の
精度、振れ等に起因する）。

■　光の走査線が傾いている（同上）。

■　結・像光学系に歪みがある。

また、後者（２次元走査型）の場合には、第４図に像Ｍ
＋　　３Ｍ２で示す如く、被計測物体１０が水平の平面
であっても、Ｘ方向の照射角度が変化するため光位置セ
ンサ１３に近い方が物体１０の高さを低く計測してしま
うという問題がある。

本発明はこれらの問題は１次元走査型あるいは２次元走
査型に夫々固有の問題であり、それ自体を解消すること
は出来ないという認識に立った上で、それらの問題に起
因する高さの測定誤差を計測プロセス中に除去しようと
するものである。

即ち、本発明の目的は光学的な原因で生じる物体の高さ
の計測誤差を取り除くことにより計測精度を向上させる
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明によれば、レーザ
ビームを被計測物体に１次元方向に走査し、その反射光
から光位置センサにより三角測量法の原理に基づき物体
の３次元形状を計測する３次元形状計測装置において、
光位置センサからの信号に基づき物体の高さを演算する
高さ演算回路と、所定の光学的原因に起因する誤差デー
タを予め記憶する補正データメモリと、高さ演算回路に
より求めた高さデータから上記誤差データを減算する減
算回路とを有することを構成上の特徴とする。

更にまた、別の本発明によれば、レーザビームを被計測
物体にｘｙＸ方向走査し、その反射光か（５） （６） ら光位置センサにより三角測量法の原理に基づき物体の
３次元形状を計測する３次元形状計測装置において、光
位置センサからの信号に基づき物体の高さを演算する高
さ演算回路と、Ｘ方向走査に関する所定の光学的原因に
起因する第１の誤差データを予め記憶する第１の補正デ
ータメモリと、Ｘ方向走査に関する所定の光学的原因に
起因する第２の誤差データを予め記憶する第２の補正デ
ータメモリと、高さ演算回路により求めた高さデータか
ら上記第１誤差データを減算する減算回路と、この減算
データを上記第２誤差データで除算する除算回路とを有
することを構成上の特徴とする。

〔作　用〕

まず、１次元走査型（第３図）用の補正について述べる
（第１図）。

走査ビームが直線からずれたり、傾いたりするときの高
さの測定誤差は、和の形で生じる。すなわち、次式で表
わされる。Ｘは主走査位置、ｙは副走査位置を示す。

ｈｌ　（ｘ、ｙ）＝ｈ　（ｘ、ｙ）十Δｈ　（ｘ）　・
・・（１）但し、 ｈｌ　　（ｘ３ｙ）：高さの測定値（実際値）ｈ　（ｘ
・ｙ）：対象の高さ（真の値）Δｈ　（ｘ）　　：高さ
の計測誤差 この高さ誤差は、光の主走査（Ｘ方向）の位置に依存し
ており、副走査（Ｘ方向）には無関係である。（１）式
から、真の高さは ｈ　（ｘ、ｙ）　−ｈ　１　　（ｘ５ｙ）−Δｈ　（ｘ
）−（２）により求まる。

本発明では、この高さ誤差（Δｈ）をメモリに持ち、デ
ータ人力時に引き算することによって、高さの計測誤差
を補正するものである。

ここで、−船釣に用いられる明るさ（濃淡）画像の入力
装置における濃度（明るさ）補正法との違いについて述
べる。

明るさ画像人力装置において、装置の状態によって生じ
る明るさの誤差は、次式で表さられる。

ｉｌ　　（ｘ、ｙ）＝ｉ　　（ｘ・ｙ）ｘｊ　　（ｘ、
ｙ）−（３）但し、 （７） （８） １１　（ｘ、ｙ）：入力された明るさ（濃度値）ｉ（ｘ
、ｙ）：理想的な画像の明るさ ｊ（ｘ、ｙ）：計測系の濃度歪み したがって、補正は次式によって行われる。

ｉ　　　（ｘ　　・　ｙ）　　＝ｉ　　１　　（ｘ　　
、　ｙ）　　／ｊ　　　（ｘ　　、　ｙ）　　−・・こ
のように、通常の濃度補正では、補正が除算によって行
われるのに対し、本発明の高さ誤差補正では減算によっ
て行われる点が決定的に違う。

尚、この１次元走査型における高さ計測では、補正値は
副走査（Ｘ方向）に依存しないので、補正データが少な
くなる。

次に、２次元走査型（第４図）の場合の高さ誤差補正法
について述べる（第２図）。

これは、前述の如くレーザビームをラスク走査し、固定
されたレンズ１９と光位置センサ１３で三次元形状を測
定するものである。この系では、光が光位置センサ１３
から遠いとき、高さが実際より高く計測され、平面を計
測しても測定値は傾斜を持つ。また、高さの分解能（感
度）も光位置センサ１３からの距離によって変化し、セ
ンサに近い程、分解能が低下する。

第２の本発明では、これを補正するものである。

前述の高さ誤差は、次式によって表わされる。

ｈ　１　　（ｘｌｙ）＝ｈ　（ｘ、ｙ）　α（ｙ）＋β
（ｙ）（４）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（５）但し、 ｈｌ　　（ｘ、ｙ）：高さの測定値（実際値）ｈ（ｘ、
ｙ）：対象の高さ（真の値） α（ｙ）：分解能の変化率 β（ｙ）：オフセット（走査ビームの直線度のずれ量） この場合の誤差は、光の副走査位置（Ｘ方向）に依存し
、主走査位置（Ｘ方向）には依存しない。

従って、次の式で補正ができる。

ｈ　（ｘ・ｙ）＝　（ｈｌ　　（ｘ・ｙ）−β（ｙ））
／α（ｙ）　　　　　　・・・（６） 〔実施例〕 第１図に第１の本発明の高さ誤差補正回路の具体的構成
の一実施例を示す。

（９） （１０） 光位置センサ１３からの信号に基づき高さ演算回路２１
によって、高さの測定値（デジタル値）が得られる。尚
、この演算自体は公知であり、説明を省略する。演算回
路２１は第１、第２の連動スイッチ２３．２５を介して
ＣＰＵ　３０に連結される。

連動スイッチ２３．２５は、連動して回路機能を制御す
るものであり、次の３つのモード位置を選択する。■の
スルーモードは、高さデータを補正せずに直接画像メモ
リ２９へ入力するモードである。

■の補正モードは、先に説明した高さ誤差の補正を行う
モードである。即ち、補正値（誤差）を予め記憶した補
正データメモリ３１から補正値を読みだし、その値を高
さデータ（測定値）から減算回路３３によって減算し、
画像メモリ２９へ入力する。

■のデータ作成モードは、補正データメモリ３１に入力
値を格納するモードである。補正データの作成に用いる
。

補正データは例えば、一種のメートル原器に相当するよ
うな平面度がほぼ完全な基準物体を用いて測定した時の
測定値から真の値を引くことよって簡単に得られる。デ
ータ作成モード■はそのような補正データの作成時に用
いられる。尚、補正データはＣＰＵ　３０からもアクセ
ス可能であるので、ソフトで設定することも可能である
。また、補正データメモリ３１は、所謂バッテリー・バ
ックアップを行えば、装置の電源を切断してもデータが
保存されるので、より便利である。

尚、本発明を実施する上では、連動スイッチ２３２５は
不要であり、常に補正モード■に設定してあれば、即ち
、高さ演算回路２１を減算回路３３を介して画像メモリ
２９に接続しておけばよい。

以上の回路により上記第（２）式が実行され、誤差が補
正される。

第２図は２次元走査型用の補正。回路構成例を示す。基
本的には第１図の回路と同様であり、それに加え除算回
路３４と、除算のための補正データ用のメモリ　（第２
補正データメモリ）３２を有する点が特徴である。即ち
、第（６）式中の誤差β（ｙ）を記憶する第１補正デー
タメモリ３１に加え、第（６）式中のα（ｙ）の記憶す
る第２補正（１１〉 （１２） データメモリ３２が付加され、減算回路３３から得られ
る減算値（ｈｌ（Ｘ４）−β（ｙ））を除算回路３４に
おいてα（ｙ）で割り算することにより第（６）式が実
行され、データ補正が行われる。

〔発明の効果〕

以上記載した如く、本発明によれば、光学的な要因によ
って生じる高さの計測誤差を補正でき、高さの計測精度
が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る３次元形状計測装置の１実施例を
示す図、第２図は別の実施例を示す図、第３図は従来の
光切断法による１次元走査型高さ測定方法を示す図、第
４図は同２次元走査型高さ測定方法を示す図。 １０・・・被測定物体、　　　１３・・・光位置センサ
、２１・・・演算回路、 ３１．３２・・・補正データメモリ、 ３３・・・減算回路、　　　　３４・・・除算回路。 （１３） ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザビームを被計測物体（１０）に１次元方向に
   走査し、その反射光から光位置センサ（１３）により三
   角測量法の原理に基づき物体の３次元形状を計測する３
   次元形状計測装置において、光位置センサ（１３）から
   の信号に基づき物体の高さを演算する高さ演算回路（２
   １）と、所定の光学的原因に起因する誤差データを予め
   記憶する補正データメモリ（３１）と、高さ演算回路に
   より求めた高さデータから上記誤差データを減算する減
   算回路（３３）とを有する３次元形状計測装置。 ２、レーザビームを被計測物体にｘｙ方向に走査し、そ
   の反射光から光位置センサにより三角測量法の原理に基
   づき物体の３次元形状を計測する３次元形状計測装置に
   おいて、光位置センサ（１３）からの信号に基づき物体
   （１０）の高さを演算する高さ演算回路（２１）と、ｘ
   方向走査に関する所定の光学的原因に起因する第１の誤
   差データを予め記憶する第１の補正データメモリ（３１
   ）と、ｙ方向走査に関する所定の光学的原因に起因する
   第２の誤差データを予め記憶する第２の補正データメモ
   リ（３２）と、高さ演算回路により求めた高さデータか
   ら上記第１誤差データを減算する減算回路（３３）と、
   この減算データを上記第２誤差データで除算する除算回
   路（３４）とを有する３次元形状計測装置。