JPH05332733A

JPH05332733A - 検出光学系並びに立体形状検出方法

Info

Publication number: JPH05332733A
Application number: JP13466892A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Hara; 靖彦原; Hideaki Doi; 秀明土井; Yukio Kenbo; 行雄見坊; Tadashi Iida; 正飯田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1993-12-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】種々の反射条件を有する物体の立体形状を安
定、高速に検出する。【構成】照明用偏光レーザ光２はレンズ８およびシリン
ドリカルレンズ１５により照明用スリット１６上に線状
に絞られる。１７は光束の方向を整えるフィールドレン
ズである。照明用スリット１６から出た光は半透明鏡１
４′を経て対物レンズ５により物体上に線状に結像す
る。物体からの反射光は、対物レンズ５によりリニアセ
ンサ４上に像を結ぶ。リニアセンサ４の前には偏光板１
１を置き散乱光のみ通過させる。リニアセンサ４は大き
さ１０〜２０μｍの小さな光検出器が一列に並んだもの
でこれ自体でスリットのような効果があり、物体上の線
状照明とリニアセンサは共焦点系を形成する。蓄積型の
リニアセンサの使用により検出感度が良くなり、またリ
ニアセンサを使うので機械走査を２軸に減らすことがで
き検出系の簡素化にも効果が大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】現在まで多くの外観検査自動化技
術が開発されてきた。特に２次元物体に対する実用技術
は多い。３次元物体に対しても、はんだ付け部の検査な
ど有効な技術が開発されている。しかし、種々の表面性
状を有する一般的な３次元物体に対して、正確に形状検
出を行える一般技術は、完成されていない。これは、物
体表面の濃淡、金属光沢等の変化に対応できる技術がな
いためである。本発明は、この技術の開発を実現しよう
とするものである。

【０００２】本発明は、生産ラインで重要と思われる次
の条件を実現することを目的としている：（１）非接触であること（２）真空環境、液体媒体を必要としないこと（３）一方向から検出できること。これは斜め方向から
の検出あるいは照明が必要であると、物体の影になる部
分が見えなくなるためである。

【０００３】（４）分解能は数１００〜１０μｍ。即ち
マクロ〜ミクロ的物体が対象である。

【０００４】（５）表面性状：光反射率；Ｒ＝０.１〜
９０％材質；金属、非金属（無機・有機材料、プラスチッ
ク、印刷・塗装部）表面粗さの種類；光沢面、微小凹凸面、光拡散面

【０００５】

【従来の技術】従来、３次元検出系の研究はコンピュー
タビジョンへの応用を中心に多く行われていた。この場
合の対象物体はマクロ的物体が多かった（井口、他：三
次元画像計測、昭晃堂１９９０年）。これとは別に工
業応用分野では実装基板などの検査用に３次元検出系が
開発されているが、どちらかと言うと、対象物体を限定
してコストパフォーマンスを向上させることを主眼とし
ていた（秦：産業応用における３次元物体の認識、Ｏ
plus Ｅ、ｎｏ．１２６、ｐｐ．１１１／１１８１９９
０年）。

【０００６】マクロ〜ミクロ的な３次元物体の検出に
は、次のような手法が用いられている：Ｉ．光切断法（三角測量法） II ．光反射方向（反射パターン）検出法 III.レーザ・レーダ法（光飛行時間検出法） IV ．変調光位相差検出法Ｖ．白色光干渉法 VI ．共焦点検出法Ｉの光切断法は、三角測量の原理に基づいて検出を行う
ものである。例えば上方から光点で物体を照明し、斜め
上方から検出すると、物体の高さに応じて光点の位置が
変位して観測されるので、光点の位置を検出することに
より物体の高さが分かる。本手法は最も良く使われてい
る３次元検出手法と言える。この理由は、比較的簡単に
奥行き分解能が高くとれ、検出信号のＳＮ比が良く、か
つ物体の表面性状の変化（とくに濃淡変化）に強いから
である。完全に一方向からの検出は不可能である。また
後述する光による検出特有の問題点（虚検出）が起きや
すい。 IIの光反射方向検出法は、照明光の反射方向
（あるいは反射パターン）を検出することにより、表面
の傾きを計測する。本手法は、光沢面の検出に有効な手
法である。一般に、光沢面の検出は光では大変難しい
が、本手法にはこの問題がない。光の反射の現象を逆に
利用しているからである。しかし、光の反射パターンを
検出するには、広い空間的角度が必要であり、一方向か
らの検出は難しい。本発明の目的には合致しないといえ
る。

【０００７】また、光沢面にのみ適用可能であることも
一般性を低くしている。

【０００８】IIIのレーザ・レーダ法は、主に遠距離の
測長に用いられている手法である。光パルスを物体に照
射し、光が物体から帰ってくるまでの時間をＴとする
と、物体までの距離Ｌは、次のようである：

【０００９】

【数１】Ｌ＝ｃ・Ｔ／２ＰＩＮフォトダイオードとサンプリングオシロスコープ
あるいはストリークカメラによる実時間測定では、数１
０psの精度で、波形の計測が可能であり、この時、１mm
弱の分解能が期待できるはずである。しかし１０μm程
度の精度の実現を目的とする本発明の目的には性能的改
善余裕が少ないと考えられる。

【００１０】IVの変調光位相差検出は、レーザ光を強度
変調し反射光の位相差変化Δφから距離Ｌを検出する：

【００１１】

【数２】Ｌ＝（Ｎ＋Δφ／２π）・ｃ／２ｆここで、Ｎ：整数値、ｆ：変調周波数。ｆはＬＥＤの場
合、数１０ＭＨz程度まで可能のようである。この時、
変調波長は６ｍ程度である。Ｅ０変調器を用いた場合、
ＧＨz程度まで変調可能であり、変調波長は約３０cmに
なる。この場合、位相差計の分解能が０．０１％の時、
１５μmの分解能が得られることになる。検出信号のＳ
Ｎ比が良く、位相差計の応答速度が速ければ、本手法実
現の可能性があるといえる。

【００１２】変調器による強度変調ではなく、波長のわ
ずかに違う光を干渉させることにより、強度変調を得る
ことができる（ビート）。例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光
の縦モード間の場合、変調波長はおよそ共振器長の２倍
であり、６０cm程度になる。ビート利用の場合、変調は
完全であり、変調器による誤差は生じない。

【００１３】Ｖの白色光干渉法は、レーザのない時代、
測長手法として用いられていた。２光束干渉計の光源に
白色光源を用いたものである。白色光の可干渉距離が短
い（数μm）ことを利用して、基準鏡を走査して光路が
等しくなる位置を求める。通常光のほかに、多モードレ
ーザを利用することもできる。

【００１４】VIの共焦点検出法は、レーザ光を対物レン
ズにより絞り込む、この１次光点の対物レンズ共役像位
置（２次光点像位置）にピンホールを置いて透過光を検
出する。すると、１次光点の結像位置に極めて狭い被写
界深度が得られる（焦点が合わない位置は真っ暗にみえ
る）。光軸方向の解像力Δuは次のようである：

【００１５】

【数３】Δu＝±０．７λ／ＮＡ² 検出分解能としては、この１／５程度が得られることが
知られている。光軸方向に何らかの走査を行うことによ
り、物体表面位置を求めることができる。本手法は、良
いＺ軸解像力を得るにはある程度大きなＮＡが必要であ
るので、一方向検出性の点では劣る。ＮＡ＝０．１の場
合、検出分解能として、約９μmが得られる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】

物体の表面性状として以下の条件を考える：（１）光反射率光反射率Ｒは最大Ｒ＝９０％とする。銀９０％、アルミ
８０％、鉄３０％を考えればこれは妥当といえる。ガラ
スの場合、約３〜４％であることは良く知られている。
黒い物体に対してはＲ＝１％を考える。ビロードの場合
０．１％が得られるが実用上は、この程度を考えれば良
いと考えられる。

【００１７】（２）光反射特性（図１）物体１に照明光２を照射する場合を考える。反射光を、
正反射光３Ａ、表面粗さに起因する散乱光３Ｂ、内部多
重散乱を起こす粒状物体の集合・ほこり・変質等による
散乱光３Ｃに分けて考える。勿論、物体によっては３Ａ
が主、あるいは、３Ａと３Ｂが一体であるもの、３Ｃの
みであるものもある。

【００１８】散乱光３Ｂによる散乱強度Ｒ_Sは次のよう
である：

【００１９】

【数４】Ｒ_S∝Ｈ_rms ²／λ² ここでＨ_rmsは表面粗さの平均自乗平方根である。

【００２０】金属や、光沢物体の凹凸による散乱光はこ
の例でありこの場合、偏光が保たれていると考えて良
い。具体例としては金属粗面やタングステン・ペースト
による散乱光があげられる。

【００２１】散乱光３Ｃは多く偏光が解消される。３Ｃ
の例として金属研磨面・レンズ上のほこりや変質があげ
られる。この場合の散乱光は０．１％程度である（反射
防止膜を付けたガラス研磨面で０．０３％位）。Ｃによ
る散乱光は弱いとは限らない。例えば、セラミック・シ
ートやシルク印刷文字は反射率Ｒが高い。

【００２２】（３）考察１）光沢面以下、物体としてまず光沢面物体１ａを取り上げる。こ
の場合、正反射光３Ａが主になる。極めて常識的である
が、図２（ａ）に示すように照明光２と検出器４が同軸
である場合、検出器４では、照明光２に垂直な面しか検
出できない（照明光２と検出器４が同軸でない場合は、
正反射光３Ａが検出器４に入射するような物体面の角度
φでしか検出はできない）。これは、実際は検出光学系
の開口数ＮＡや、散乱光３Ｂの存在によって、緩められ
るが、物体１面の面精度が良くなるにつれて厳しくなる
（手法Ｉ、III、IV、Ｖ、VIの場合）。また、光反射方
向検出法IIでは同図（ｂ）に示すように照明光２、ある
いは検出器４の設定位置の制限から、物体面φ＞４５°
（照明光角度Ψ＞９０°）以上の部分の検出はできな
い。

【００２３】図３は正反射条件の点ｐ２が照明２の光束
の近くにある場合に起こる検出誤差ΔＺを説明するもの
である。照明２の光束は中心部が最も明るいが周辺部に
も光が広がっている。正反射の条件が成立する点ｐ２が
照明点の近くにあると、正反射条件点ｐ２が真の高さで
あると誤検出する（Ｉ、III、IV）。

【００２４】共焦点検出法VIでは、図４に示すように光
沢面物体１ａの表面凹凸の仮想球面の中心が対物レンズ
５の焦点に一致すると、焦点面に物体があると見誤り高
さ虚検出ΔＺがおこる。この虚検出はＮＡの小さな照明
光２や対物レンズ５を使うと顕著に発生する（同図の凹
凸範囲Ｓが小さい条件でも起き易くなる）。

【００２５】このように光沢面に対しては、全ての手法
が何らかの限界を有している。これらの中では、光反射
方向検出法IIが最も広い面の傾きをカバーするが、一方
向検出ができないと言う欠点がある。

【００２６】この他、光沢面物体１ａでは、例えば図５
に示すような照明光２の２次反射光により、照明点ｐ１
より２次反射光点ｐ４の方が明るくなり、虚検出が起き
る。また照明光によって生じる蛍光による虚検出が起こ
ることがある。光による３次元検出にかかわる発明の多
くは虚検出をいかに防止するかに関するものである。

【００２７】２）散乱面物体面１として散乱光３Ｃが主な場合を考える。表面が
散乱面である場合、３次元検出はやりやすくなる。光沢
面での問題は、ほぼなくなりφ＞４５°以上の面も検出
が可能になる。正反射による高さ虚検出もなくなる。た
だし、光の反射方向の情報が失われるので光反射方向検
出法IIは適用できなくなる。また、散乱光３Ｃは偏光状
態が解消されるので、干渉を使う白色干渉法Ｖも適用で
きなくなる。

【００２８】３）検出器のダイナミックレンジ光沢面物体１ａの場合に於いて、検出器４が正反射光３
Ａを受光した場合、検出器４が受ける反射光量Ｉは入射
光量Ｉ₀に対して、Ｒ・Ｉ₀となるので、Ｉ＝０．９０・
Ｉ₀〜０．０３・Ｉ₀で変化する。ただし、これは正反射
光３Ａを受けた場合であり、実用的な評価にはならな
い。正反射光３Ａが全く検出器４に入らない場合、散乱
光３Ｃが検出器４の受ける光量Ｉとなる。この散乱光３
Ｃを対物レンズ５で集光した場合の光強度Ｉは次のよう
である。

【００２９】

【数５】Ｉ＝Ｒ・Ｉ₀・（ｒ²／（ｄ²＋ｒ²））ここでｒ：対物レンズ５の半径、ｄ：物体１から対物レ
ンズ５までの距離である。ｒ：ｄ＝１：１０、Ｒ＝０．
９〜０．００１の場合、Ｉ＝０．００９・Ｉ₀〜０．０
０００１・Ｉ₀となる。以上から、検出器４のダイナミ
ックレンジはＩ＝０．９・Ｉ₀〜０．００００１・Ｉ₀、
すなわち１０⁵以上が必要になる。ＴＶカメラ、ＣＣＤ
センサのような検出器４のダイナミックレンジは実用的
には、せいぜい１００〜５００であり、このような在来
型画像検出器４を用いて、一般的な３次元検出手法を実
現することは困難である。

【００３０】仮に検出信号が得られたとして、これをＡ
Ｄ変換する場合を考えてみる。ＡＤ変換器はビット数が
多いものは、変換時間がかかる。１６ｂｉｔ（分解能６
５０００）のように階調の多いものは遅くせいぜい１０
０ＫＨzである。１０ＭＨz以上の高速タイプは１２ｂｉ
ｔ（分解能４０００）以下に限られる。階調が多いとき
電気的扱いは難しくなる。検出光量の望ましいダイナミ
ックレンジとしてもこの程度を想定することは妥当であ
ると考えられる。

【００３１】

【課題を解決するための手段】以上の検討で明らかにな
った光反射特性をもとに、３次元形状を検出するための
対応策について考察する。

【００３２】虚検出は正反射光３Ａによって生じる。こ
れを防止するには正反射光３Ａを使わずに検出を行う必
要がある。また、物体表面の傾きφ＞４５°の検出は、
指向性の強い反射光（正反射光３Ａおよび散乱光３Ｂ）
を利用したのでは実現不可能である。このことは、一般
対応策では散乱光３Ｃにより検出を行う必要があること
を示している。この場合適用の可能性のある検出手法
は、光切断法Ｉ、変調光位相差検出法IV、共焦点検出法
VIである。白色光干渉法Ｖは、散乱光３Ｃでは適用でき
ない。

【００３３】散乱光３Ｃにより検出を行うには正反射光
３０Ａおよび散乱光３Ｂを遮断する必要がある。これに
は偏光により物体を照明し、検出器の前に偏光板を挿入
して、偏光面のそろった３Ａおよび３Ｂの光をカットす
ることにより実現できる。ただし、光沢面物体では、散
乱光３Ｃは極めて弱くなるので検出に工夫が必要であ
る。

【００３４】一般対応策は、種々の３次元形状の検出、
ＦＡ・ロボット視覚系の目的にも適用することができる
ものでなければならない。したがって、ＸＹＺ方向の分
解能（画素数）が大きく設定できる手法でなければなら
ない。一般対応策の特殊化として、ある方向の分解能を
制限して高速化等の高性能化を図ることは有り得る。

【００３５】光切断法Ｉ光切断法Ｉの一般対応策としての欠点は、周囲に物体が
あると光路が遮断されるので（不可視領域の問題）、こ
れを避けるために、例えば複数の検出系が必要で装置が
複雑になること。光照明光軸と検出光軸の合致点が検出
位置となるため、柔軟にＺ検出位置の設定をすることが
難しいことがあげられる。光切断法は対象物体の特質が
上述の欠点が問題にならない場合の特殊対応策として位
置ずけられるべきであると思われる（例えばＺ方向分解
点数が少なくて良い比較的平坦な物体の場合や、照射光
の焦点深度が十分深いと見なせるマクロ物体の場合）。
言い替えれば、これらの問題が重大でない場合はよい検
出法と言える。

【００３６】変調光位相差検出法IV 本手法のＺ軸分解能は、変調波形の安定性と位相差計の
精度で決まるといえる。ネットワークアナライザでは
０．００３〜０．０３％（０．０１°〜０．１°）の分
解能があるが、計測時間が１００mＳ／画素程度かかる
ようである。ディジタル的検出では３０μＳ／画素も報
告されているが、分解能は０．４％（１．４°）と悪
い。高い検出精度を実現することは、安定な変調波形を
得ることと、良好なＳＮ比の信号を得ることに集約でき
ると考えられる。３ＧＨzの変調波長を用いた場合、１
０μmの精度を実現するには、０．０２％（０．０７
°）の位相検出精度が必要とされる。

【００３７】Ｚ軸の検出範囲に関しては、変調波長以内
での測定が基本となるが、この範囲の中では１０³〜１
０⁴の分解能があるので十分なポテンシャルがある。し
かし、横方向の分解能を高めたい場合は、照射光を絞る
必要があり、この場合、照射光の焦点深度の範囲内のＺ
方向検出範囲しか得られない。広いＺの範囲で高い横方
向の分解能を得るには、Ｚ方向に焦点位置を走査する必
要がある。これは本発明の目的に対しては、不利な点で
ある。本手法は、光切断法Ｉと同じく焦点深度が十分深
くできるマクロ物体あるいは焦点深度内のみの計測で満
足できる平坦な対象物の検出法として適すると考えられ
る。

【００３８】共焦点検出法VI 本検出法は上記検出法に比べて、常に焦点が合致した点
で検出を行うことが特徴である。このことは１０μm程
度の分解能を狙う本調査の目的のためには特に重要であ
る。このことは同時にＺ方向の分解数が自由に設定でき
ることを意味する。従って、共焦点検出法は本発明の目
的に対して最良の検出法であると言える。

【００３９】

【作用】図７にこの原理にもとづく検出系の例を示す。
光学系の構成はレーザ光２をレンズ８、９、５により光
点に絞り込み、走査鏡１３、１３’によりＸＹ方向に２
次元光点走査を行う。順次Ｚ方向焦点位置を変えて画像
を記憶装置１８に入力する。記憶した画像の中であるＸ
Ｙ位置に対して最も明るいＺ位置が物体表面位置とな
る。本走査方式はＺ方向の分解数に応じてＸＹ平面走査
を繰り返す。Ｚ方向の分解数が多数必要である場合に
は、走査回数を増すことにより、すぐに対応が可能であ
る。また、Ｚ方向の分解数が少なく、例えば１６である
場合、約０．３Ｓで検出が可能であり（一画面１／６０
Ｓで走査の場合）、この意味でも一般視覚系として十分
に成り立つ。

【００４０】図７の例の欠点は、座標ＸＹＺの検出をレ
ーザ光点によって行っているために、検出系が複雑であ
り、かつ、高速化が難しいことである。このためにリニ
アイメージセンサを使うことにより、走査の簡単化を図
る。また、Ｚ方向の各検出位置をおのおの異なる光の波
長によりコード付けを行うことにより、Ｚ方向の走査を
不要にする実施例を考案した。

【００４１】

【実施例】

実施例１図８はリニアセンサを使った実施例を示す。照明用偏光
レーザ光２はレンズ８およびシリンドリカルレンズ１５
により照明用スリット１６上に線状に絞られる。１７は
光束の方向を整えるフィールドレンズである。照明用ス
リット１６から出た光は半透明鏡１４’を経て対物レン
ズ５により物体上に線状に結像する。物体からの反射光
は、対物レンズ５によりリニアセンサ４上に像を結ぶ。
リニアセンサ４の前には偏光板１１を置き散乱光３Ｃの
みを通過させる。リニアセンサ４は大きさ１０〜２０μ
mの小さな光検出器が一列に並んだもので、リニアセン
サ以外の部分は光を感じないために、これ自体でスリッ
トのような効果がある。物体上の線状照明とリニアセン
サは、共焦点系を形成する。正式な共焦点系は照明、検
出ともに点であるので、この系は、厳密な共焦点系では
ないが、この形式でも、十分に共焦点系としての効果が
ある。本系により光電子増倍管のように瞬間の光を検知
する検出器ではなく、リニアセンサのような蓄積型のセ
ンサの使用が可能になり、検出感度が良くなる。また、
リニアセンサを使うので、光点走査のようにＸＹＺ３軸
の機械走査ではなく、機械走査を２軸に減らすことがで
きる。これは検出系の簡単化に効果が大きい。本例で
は、Ｙ軸の走査は振動鏡１３あるいは物体の送りにより
行われる。Ｚ方向の走査は対物レンズ５の移動により行
われる。これらは勿論、別の走査方式、例えば、Ｙ方向
走査は回転多面体鏡、Ｚ方向走査は物体の上下動で行う
ことができる。

【００４２】実施例２実施例１ではＺ方向の走査は依然機械的になされてい
る。Ｚ方向の走査を非機械的に行い、共焦点検出法の高
速化を図る実施例をつぎに示す。共焦点法は照明光点と
共役な位置に点型検出器を置くことが基本である。高速
化を図るためには、この対を複数置くことが考えられる
がこれらの光束は互いに重なるために、各光束に何らか
のコードを付けて分離を行わなければならない。一般に
コードとして、空間位置、光変調、時間差（パルス）、
偏光、波長などが考えられる。可能性のある方法とし
て、波長コード法を採用した例を図９の実施例２に示
す。基本的には実施例１に似た構成を持っている。照明
光として多波長光２’を用いる。レーザ光２’は実施例
１のように照明用スリット１６上に線状に絞られる。つ
ぎに半透明鏡１４’を介して対物レンズ５’により線状
に結像する。対物レンズ５’は色収差のあるものが用い
られている。即ち、光の色λ₁・・λ_i・・λ_Iによって
結像位置が違っている。線状に絞られた照明光の対物レ
ンズ５’による共役位置には検出用スリット１９が置か
れている。検出用スリット１９には、ちょうど物体面で
線状に絞られた波長の照明光が最も多く通り抜ける。従
って、検出用スリット１９を通り抜けた光を分光して最
も強い強度の波長を求めれば物体面の位Ｚ置を知ること
ができる。本実施例では検出用スリット１９を通った光
をレンズ２１、２２偏光板１１を介してプリズム２０に
より分光を行う。検出器４としてはＴＶカメラを使うこ
とができる。この場合は同図（ａ）に示すようにＴＶ検
出画像の横軸が深さＺに対応し、縦軸が物体面のＸ方向
に対応する。あるＸ＝Ｘ_j位置に於いて、最も強度が強
い波長λiの位置からＺ位置が求まる。検出器にＴＶカ
メラを用いた場合は、一つのＸ方向走査線上の立体プロ
ファイルを検出するのに、ＴＶカメラ１回の走査が必要
である。これを高速化するには、次のような方式があ
る。ＴＶカメラの代わりにＩ本の並列出力を持つリニア
センサの列の検出器（Ｉ並列出力リニアセンサ）を用い
ている。Ｉ並列出力リニアセンサの面では同図（ｂ）に
示すようにリニアセンサの長手方向が物体面のＸ方向、
リニアセンサ並列方向がＺ方向に相当する。従って、Ｔ
Ｖカメラの場合と同じように、Ｉ個のリニアセンサ出力
の中であるＸ_j位置に於いて最も検出レベルの高リニア
センサを特定すれば物体のＺ方向位置を求めることがで
きる。Ｉ並列リニアセンサーの出力は並列に出てくるの
で、この信号を並列に処理することにより、Ｉ並列リニ
アセンサの一走査の検出時間で、あるＸ方向走査線上の
立体プロファイルを検出することができる。本検出系の
照明光２’としては、強度が強く、かつ指向性の強い多
波長が必要である。例えば、ある波長帯域で発信する色
素レーザーが考えられる。本実施例により機械的走査は
１軸だけで済むようになり、例えば同図に示すように物
体をＹ方向に送るだけでＸＹＺの３次元形状が検出でき
る。機械的な走査が１軸だけなので、検出は高速にでき
る。

【００４３】実施例３図１０は実施例２の検出原理をレーザー光点走査により
実現したものである。光学系は図７の検出系に似てい
る。色収差のある対物ンズ５’の代わりに対物レンズ５
と光路に挿入した波長分散板２３が用いられている。本
光学系により、波長λ_iに応じた光点列がＺ軸方向に結
像する。Ｚ軸方向の検出分解能を上げるには、分光精度
をあげなければならない。このために本実施例ではプリ
ズム２０の代わりに、分光格子２０’を用いて分光して
いる。検出器４上では、Ｚ位置に対応する波長λ₁、・
・λ_i、・・、λ_Iに応じた線状の波長分布光が形成され
る。実施例２と同じ原理により物体の高さＺを求めるこ
とができる。検出器４にはリニアセンサーを用いること
ができる。しかしリニアセンサーを用いた場合は、ある
Ｘ＝Ｘ_jの点の高さの検出にリニアセンサーの一回の走
査が必要である。高速な検出を実現するためには、波長
分解能Ｉ（Ｚ方向分解能）だけの光電子増倍管の列Ｉを
用いる。光電子増倍管からは並列に検出信号が出力され
るので、最も検出出力の高い光電子増倍管を特定するこ
とにより（最も強度の強い波長を求めることにより）、
ただちにＸ＝Ｘ_jに相当するＺ位置の検出を行うことが
できる。光点のＸ方向走査各点に応じてこのようにＺ方
向位置を検出する。本実施例でも高速検出が可能であ
る。実施例２との違いは本例が光点走査とピンホール検
出による正式な共焦点系を実現していることである。そ
の代わり実施例１、２と異なりレーザー走査用の回転鏡
を用いており、装置の構造が複雑である。本実施例で
は、機械的な走査はＸ軸（光点走査方向）と、Ｙ軸（物
体送り方向）の２軸である。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、従来検出が困難であっ
た種々の反射条件を有する物体の立体形状が安定、高速
に検出することができるようになる。このために、従来
技術的に困難であった物体に対してＦＡ用立体位置認識
や計測、その他、電子部品実装状態の検査自動化に適用
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】照明光と反射光の説明図。

【図２】光沢面検出の問題を説明する図。

【図３】光沢面検出の問題を説明する図。

【図４】光沢面検出の問題を説明する図。

【図５】光沢面検出の問題を説明する図。

【図６】散乱光を検出する光学系のモデル。

【図７】基本検出光学系の説明図。

【図８】本発明に関わる第１の検出光学系の説明図。

【図９】本発明に関わる第２の検出光学系の説明図。

【図１０】本発明に関わる第３の検出光学系の説明図。

【符号の説明】

１…物体、２…照明光、３…反射光、４…検出器、５…対物レンズ、５’…色収差対物レンズ、７…ピンホール、１１…偏光板、１３…走査鏡、１４…半透明鏡、１５…シリンドリカルレンズ、１６…照明用スリット、１８…記憶装置、１９…検出用スリット、２０…プリズム、２０’…分光格子、２３…波長分散板。

フロントページの続き (72)発明者飯田正神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所神奈川工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光レーザ光を光学系により線状の照明光
像に絞り込み、この照明光像の当該光学系による共焦点
位置に線状の光検知機能を有する検出器を置き、物体情
報を検出することを特徴とする検出光学系。
【請求項２】偏光レーザ光を光学系により線状の照明光
像に絞り込み、この照明光像の当該光学系による共焦点
位置に線状の光検知機能を有する検出器を置き、かつ光
学系に偏光素子を挿入して、物体からの反射光から整っ
た偏光成分を遮断し、これ以外の光成分により物体を検
出することを特徴とする検出光学系。
【請求項３】請求項１または２記載の検出光学系に於い
て、線状の光検知機能を有する検出器として、リニアセ
ンサ、あるいはスリットとこのスリット像を検知する画
像検出器を用いることを特徴とする検出光学系。
【請求項４】請求項１または２または３記載の検出光学
系を用い、物体を検出器長手方向と垂直な方向に走査す
るか、あるいは光学系により走査し、かつ、物体を光軸
方向に機械的に、あるいは、光学系により走査すること
により、物体の立体形状情報を検出することを特徴とす
る立体形状検出方法。
【請求項５】多波長の成分を有する偏光レーザ光を色収
差を有する光学系により線状の照明光像に絞り込む。こ
れにより、光軸方向の各位置に各波長に対応する線状の
照明光像を形成する。この照明光像の当該光学系による
共焦点位置に線状のスリットを置き、このスリットの像
を検知する画像検出器を有し、かつスリットを通る光を
分光する光学要素をスリットと画像検出器の間に配置す
ることにより、画像検出器上にスリットの分光された像
を形成し、線状の照明光により照明された物体のある一
点に対応する分光分布のピーク波長を順次求めることに
より、物体点の高さを求めることを特徴とする検出光学
系。
【請求項６】請求項５記載の検出光学系に於いて、光学
系に偏光素子を挿入して、物体からの反射光から整った
偏光成分を遮断し、これ以外の光成分により物体を検出
することを特徴とする検出光学系。
【請求項７】請求項５または６記載の検出光学系に於い
て、検出器としてＴＶカメラ、あるいは、平面に配列し
たリニアセンサの束を用いることを特徴とする検出光学
系。
【請求項８】請求項５または６または７記載の検出光学
系を用い、物体を検出器長手方向と垂直な方向に走査す
るか、あるいは光学系により走査し、かつ、物体を光軸
方向に機械的に、あるいは、光学系により走査すること
により、物体の立体形状情報を検出することを特徴とす
る立体形状検出方法。
【請求項９】多波長の成分を有する偏光レーザ光を色収
差を有する光学系により点状の照明光像に絞り込む。こ
れにより、光軸方向の各位置に各波長に対応する点状の
照明光像を形成する。この照明光像の当該光学系による
共焦点位置に点状のピンホールを置き、このピンホール
の像を検知する画像検出器を有し、かつピンホールを通
る光を分光する光学要素をピンホールと画像検出器の間
に配置することにより、画像検出器上にピンホールの分
光された像を形成し、点状の照明光により照明された物
体のある一点に対応する分光分布のピーク波長を求める
ことにより、物体点の高さを求めることを特徴とする検
出光学系。
【請求項１０】請求項９記載の検出光学系に於いて、光
学系に偏光素子を挿入して、物体からの反射光から整っ
た偏光成分を遮断し、これ以外の光成分により物体を検
出することを特徴とする検出光学系。
【請求項１１】請求項９または１０記載の検出光学系に
於いて、検出器としてＴＶカメラ、リニアセンサ、ある
いは直線状に配置された光ファイバの束とその光ファイ
バを通った光を検知する光電子増倍管（複数）を用いる
ことを特徴とする検出光学系。
【請求項１２】請求項９または１０または１１記載の検
出光学系を用いて光点を振動鏡、回転多面体鏡等により
操作し、物体を検出器長手方向と垂直な方向に走査する
か、あるいは光学系により走査することにより、物体の
立体形状情報を検出することを特徴とする立体形状検出
方法。