JPH06249632A - ３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】広い領域の３次元形状計測を精度よくかつ高速
になし得る３次元形状計測装置を提供することを目的と
する。 【構成】ｘ方向の走査は被計測物体移動手段５の移動に
よって行い、ｙ方向の走査は円筒体１の回転による複数
のホログラムＨ1〜Ｈnの切替えによって行い、ｚ方向の
走査は円筒体１の１つのホログラムレンズの領域内での
回転によって行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は共焦点光学系を応用し
た３次元形状計測装置に関し、特にホログラムを利用し
て３次元計測を行う３次元形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】距離を測定する技術として所謂共焦点光
学系がある。図１１に共焦点光学系の原理を示す。

【０００３】光源１０１の光はレンズ１０２で集光され
た後、焦点に配置されたピンホール１０３を介してハー
フミラー１０４に入射される。光源１０１の光は焦点に
配置されたピンホールによって点光源と等価な光にな
る。ハーフミラー１０４で反射された光はレンズ１０５
によって集光されて物体表面１０６に投光される。この
場合はレンズ１０５の焦点位置１０７に物体表面１０６
がある場合を示している。物体表面１０６で散乱した光
はレンズ１０５を通りハーフミラー１０４を透過した
後、光源１０１の焦点位置と共役な点１０８に集光され
る。この焦点１０８の位置にピンホール１０９を置き、
通過する光を光センサ１１０で検出する。

【０００４】かかる構成によれば、図１２(a)(b)に示す
如く、物体表面Ｚ0が焦点位置１０７の前後Ｚ1、Ｚ2に
外れた場合、共役点側の焦点８が移動しピンホールの作
用で光センサ１１０の出力が著しく低下する。図１３に
物体表面の位置と光センサ１１０の出力との関係を示
す。

【０００５】このような共焦点光学系の特性を利用した
３次元形状計測器が提案されており、図１４にその構成
を示す。

【０００６】この３次元形状計測器においては、レーザ
光源１０１の光をレンズ１０２で集光した後、焦点位置
に配されたピンホール１０３を介してレンズ１１１に入
射させ、平行光１１２に変換する。この平行光はビーム
スプリッタ１１３を通ってレンズ１１４により再び集光
される。物体表面１１５で散乱された光は、レンズ１１
４を通ってビームスプリッタ１１３で反射され、更にレ
ンズ１１６によって集光される。この集光の焦点位置に
ピンホール１０９を置き、通過する光を光センサ１１０
で検出する。

【０００７】ここで、レンズ１１４は、ボイスコイル或
いは圧電素子などを使った駆動装置１１７によって平行
光１１２の光軸の方向（Ｚ方向）に変位可能に構成され
ている。レンズ１１４に入射される光は平行光なので、
レンズ１１４のＺ方向への変位によりレンズ１１４の焦
点１１８もＺ方向に変位する。したがって、レンズ１１
４の移動に対応する焦点位置１１８の範囲内に、物体表
面１１５が存在すれば、焦点１１８と物体表面１１５が
一致したときに光センサ１１０の出力が著しく大きくな
る。この性質を応用すれば、対象物体１１５のＺ方向に
ついてのー次元の測距ができる。

【０００８】すなわち、レンズ１１４を周期的にＺ方向
に変位させるとともに、この変位にともなって光センサ
１１０の出力をサンプリングし、該光センサ１１０の出
力が最大になった時のレンズ１１４の焦点位置を求め、
該焦点位置から物体表面の位置（距離）を求めることが
できる。

【０００９】かかる共焦点光学系を用いて３次元の測距
を行うために、図１４の３次元形状計測器においては、
Ｘ−Ｙの２次元方向に移動可能な平面移動ステージ１１
９を配置し、この平面移動ステージ１１９上に対象物体
１１５を載置するようにしている。

【００１０】そして、対象物体１１５を載置した平面移
動ステージ１１９を矢印Ｊのようジグザグに移動走査す
ることにより対象物体を（Ｘ，Ｙ）方向に走査し、この
走査にともなって前記共焦点光学系によるＺ方向の測距
を繰り返し行うことで、対象物体１１５の３次元方向の
測距を行う。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の３次元形
状測定器においては、広い領域に亘って画像を走査する
ためにステージ１１９を上記のようにジグザグに移動走
査するようにしているが、このようなジグザグな移動走
査ではステージ１１９自体の慣性質量による制御速度に
限界がある。すなわち、上記のようなジグザグ走査では
進行方向の切替えの際にはステージを減速、停止させた
後、進行方向を切替えてステージを加速しなくてはなら
ず、慣性質量により加減速速度に限界を生じ、走査速度
の高速化にも限界がある。すなわち、従来の共焦点光学
系による３次元形状測定装置は、被測定物体の移動によ
って空間にある点像を走査して測定するものがほとんど
で、点像自体を移動走査するものではなかった。

【００１２】また、上記の従来技術によれば、広い奥行
きに亘って画像を走査するためにはレンズ１１４を大き
く変位させなくてはならず、レンズの慣性質量の制約か
ら、高速に精度よく変位させるのが困難であった。例え
ば、駆動装置１１７として圧電素子を用いると高速では
あるが大きな変位が望めず、ボイスコイルを使用した場
合は精度よく大きな変位での高速駆動には限界があっ
た。

【００１３】このように、共焦点光学系を利用した従来
の３次元形状計測器は、顕微鏡のような狭い領域の走査
は別として、例えば半導体部品の実装基板のパターン欠
陥検査や半田ペーストの塗布量検査などのように広い領
域を精度よくかつ高速に走査するための用途には適さな
かった。

【００１４】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、広い領域の３次元形状計測を精度よくかつ高
速になし得る３次元形状計測装置を提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明では、円筒体
と、この円筒体を回転駆動する回転駆動手段と、前記円
筒体の外側に配設され、被計測物体を載置して円筒体の
軸方向ｙに垂直な１軸方向ｘに移動走査される被計測物
体移動手段と、前記円筒体の円周面に沿って配設され、
入射された光を集光する複数のホログラムレンズと、前
記円筒体内に配設され、該円筒体の中心軸を焦点とする
球面波又は円筒波を円筒体に照射することにより該球面
波又は円筒波を前記円周面上のホログラムレンズを介し
て前記被計測物体に集光する投光系と、前記被計測物体
上での散乱光を前記ホログラムレンズを経由させた後集
光する受光系とを有し、前記球面波又は円筒波の前記円
筒体に対する照射方向がｘｙ平面に対して所定の角度β
をなすように配設された共焦点光学系とを具え、前記複
数のホログラムレンズに対し、入射された球面波又は円
筒波の光軸をｘｚ平面（ｚ方向；ｘ及びｙ方向に直角な
方向）においてほぼ角度γ（＝９０゜−β）だけ偏向す
るよう露光を施し、かつホログラムレンズに入射された
球面波又は円筒波を前記ｙ方向の異なる位置に集光する
ような露光を各ホログラムレンズに施すとともに、更
に、前記共焦点光学系の受光系によって集光された光を
受光する受光センサと、前記回転駆動手段による円筒体
の回転駆動および前記被計測物体移動手段による被計測
物体の移動に対応する前記受光手段の各出力に基づき前
記被計測物体の３次元距離計測を行う３次元距離計測手
段とを具えるようにする。

【００１６】

【作用】本発明によれば、ｘ方向の走査は被計測物体移
動手段の移動によって行い、ｙ方向の走査は円筒体の回
転による複数のホログラムの切替えによって行い、ｚ方
向の走査は円筒体の１つのホログラムレンズの領域内の
回転によって行う。

【００１７】

【実施例】以下この発明を添付図面に示す実施例に従っ
て詳細に説明する。

【００１８】図１〜図３にこの発明の実施例を示す。

【００１９】図１〜図３において、半径Ｒのガラス製の
円筒体１の周面には複数のホログラムレンズＨ1〜Ｈnが
等しい間隔で配設（焼き付け）されており、円筒体１は
駆動モータ２によって中心軸３を中心にθ方向に回転駆
動される。

【００２０】円筒体１の外部には、被計測物体４を載置
してｘ方向にのみ移動可能な１軸ステージ５が設けられ
ている。

【００２１】駆動モータ２の回転角度信号φおよび１軸
ステージ５の位置信号ｐは制御装置６に入力されてお
り、駆動モータ２の回転制御および１軸ステージ５の移
動制御は制御装置６によって行われる。

【００２２】円筒体１の内部には、図２に示すように、
共焦点光学系７が設けられており、この共焦点光学系７
から円筒体に向けて光が照射される。この共焦点光学系
７によって円筒体に照射される光としては、円筒波また
は球面波の２種類が考えられる。

【００２３】図４は、円筒波を発生するための共焦点光
学系の一例を示すもので、レーザ光源１１から発生され
たコリメート光は、偏光ビームスプリッタ１２を通過し
た後、λ／４板１３を通って円偏光に変換され、シリン
ドリカルレンズ１４によって焦点F1に集光されることに
より、波面Ｓが焦点Ｆaを中心とする円筒波を発生す
る。また、波面Ｓと同一波面を持ち進行方向が反対の
光、いわゆる共役波はレンズ１４、λ／４板１３、偏光
ビームスプリッタ１２を通ってレンズ１５に入射され、
集光された後、焦点位置に配されたピンホール１６を通
って光センサ１７に入射される。

【００２４】図５は、球面波を発生するための共焦点光
学系の一例を示すもので、レーザ光源１１から発生され
たコリメート光は、偏光ビームスプリッタ１２を通過し
た後、λ／４板１３を通って円偏光に変換され、球面レ
ンズ１８によって焦点Ｆaに集光されことにより、波面
Ｓが焦点Ｆaを中心とする球面波を発生する。また、出
射光の共役波はレンズ１４、λ／４板１３、偏光ビーム
スプリッタ１２を通ってレンズ１５に入射され、集光さ
れた後、焦点位置に配されたピンホール１６を通って光
センサ１７に入射される。

【００２５】このような共焦点光学系７は、図２に示す
ように、ｘｚ平面に対してその光軸が角度αを持つよう
に配設し、ｘｙ平面に対してはその光軸が角度βを持つ
ように配設されている。なお、投光角αは−９０゜≦α
≦９０゜を満足する任意の角度に設定し、投光角βは０
゜≦β≦９０゜を満足する任意の角度に設定する。

【００２６】ここで、この共焦点光学系７は、該共焦点
光学系によって発生される円筒波または球面波の焦点Ｆ
aが円筒体１の回転軸３に一致するように配設すること
が条件である。このようにすることによって、円筒体１
に入射される光はθ方向に不変な波面となる。つまり、
円筒体１のどの位置でレーザ光を受光してもその波面は
同じものとなり、収差がのることはない。

【００２７】図６は、円筒波用のホログラムレンズの集
光作用を示すものである。

【００２８】ホログラムＨ1には、前述したように、半
径Ｒの円筒体１の中心軸上３を焦点Ｆaとする円筒波が
入射されており、該ホログラムＨ1のレンズ面の形状お
よびその配設方向は入射される円筒波の波面に一致する
ような円筒面になっている。

【００２９】そしてこのホログラムＨ1では、同図(b)に
示すように、ｘｚ平面に関しては、入射された円筒波の
光軸が角度γだけ偏向された距離Ｌのー点Ｆb1に集光す
るような露光が施されている。

【００３０】ただし、 γ＝９０゜−β である。

【００３１】また、ｘｙ平面に関しては、同図(a)に示
すようにホログラムＨ1からの距離がＬのｙ方向に延び
る線分Ｑ上の１点Ｆb1に収束するよう露光が施されてい
る。

【００３２】このような露光が各ホログラムＨ1〜Ｈnに
ついてそれぞれ施されているわけであるが、各ホログラ
ムＨ1〜Ｈnの集光位置Ｆb1〜Ｆbnは、ｘｚ平面に関して
は、同図(b)に示すように同一であるが、ｘｙ平面に関
しては、同図(a)に示すように、線分Ｑ上の複数の異な
る点に収束するような露光が施されている。

【００３３】図７は、球面波用のホログラムレンズの集
光作用を示すものである。

【００３４】この場合ホログラムＨ1には、前述したよ
うに、半径Ｒの円筒体１の中心軸上３を焦点Ｆaとする
球面波が入射されており、該ホログラムＨ1のレンズ面
の形状およびその配設方向は入射される球面波の波面に
一致するような球面になっている。

【００３５】そしてこのホログラムＨ1では、同図(b)に
示すように、ｘｚ平面に関しては、入射された球面波の
光軸が角度γだけ偏向された距離Ｌのー点Ｆb1に集光す
るような露光が施されている。

【００３６】ただし、この場合も γ＝９０゜−β である。

【００３７】また、ｘｙ平面に関しては、同図(a)に示
すようにホログラムＨ1からの距離がＬのｙ方向に延び
る線分Ｑ上の１点Ｆb1に収束するよう露光が施されてい
る。

【００３８】このような露光が各ホログラムＨ1〜Ｈnに
ついてそれぞれ施されているわけであるが、この場合
も、各ホログラムＨ1〜Ｈnの集光位置Ｆb1〜Ｆbnは、ｘ
ｚ平面に関しては同図(b)に示すように同一であるが、
ｘｙ平面に関しては同図(a)に示すように、線分Ｑ上の
複数の異なる点に収束するような露光が施されている。

【００３９】図８は本発明の３次元計測の原理を示すも
のである。

【００４０】すなわち図８(a)において、円筒体１の中
心軸３を焦点Ｆaとする円筒波又は球面波は円筒面の円
周ＡＢ間の領域を照射し、その一部がホログラムレンズ
Ｈ1に入射する。入射された光は角度γだけ偏向されて
点Ｆb1に集光される。

【００４１】ここで、円筒体１は回転駆動されるので、
この回転に伴って点像Ｆb1は、点像Ｆb1´から点像Ｆb1
¨まで走査され、半径Ｕの円弧Ｇを描く。この円弧Ｇ
は、ｘ方向成分とｚ方向成分を有している。

【００４２】したがって、上記点像Ｆb1の走査範囲内、
すなわち円弧Ｇ上に被測定面Ｗが存在すると、点像が被
測定面Ｗ上にあるときに共焦点光学系の光センサ１７の
出力が最大になり該被測定面Ｗの位置を検出することが
できる。ここで、円筒体１の回転に伴って被測定物体４
を載置した１軸ステージ５はｘ方向に移動されているの
で、図２に示すように、前記円弧Ｇはｘ方向にも走査さ
れることになり、結果的に図２のハッチングで示したｘ
ｚ領域の２次元走査が行われる事になる。

【００４３】また、前述したように、各ホログラムＨ1
〜Ｈnによる集光位置は、円筒体１の回転軸３と平行な
方向（ｙ方向）に延びる線分Ｑ上で、それぞれ異なるよ
うな露光が施されているので（図８(b)）、円筒体１の
回転によって光が入射されるホログラムＨ1〜Ｈnを切り
換えることにより、図３に示すようなｙ方向の走査が行
われる。

【００４４】このように本３次元計測装置では、ｘ方向
の走査は１軸ステージ５のｘ方向への移動によって行
い、ｙ方向への走査は円筒体１の回転による複数のホロ
グラムの切替えによって行い、ｚ方向の走査は１つのホ
ログラム領域内での円筒体１の回転に伴う光センサ１７
の出力の順次のサンプリングによって行う。これらｘ−
ｙーｚ方向への走査を行うための、円筒体１の回転駆動
制御、１軸ステージ５の移動制御は制御装置６によって
行われる。

【００４５】かかる構成によれば、前記ｘ−ｙーｚ方向
への走査に伴って被計測物体４での散乱光はホログラム
レンズを介して共焦点光学系７に入射され、共焦点光学
系７のレンズ１４、λ／４板１３、偏光ビームスプリッ
タ１２を通ってレンズ１５に入射され、集光された後、
焦点位置に配されたピンホール１６を通って光センサ１
７に入射されるのであるが、光センサ１７の出力は制御
装置６に入力され、ここで光センサ１７の出力に所定の
演算処理が加えられることによって被計測物体１５の３
次元位置が計測される。

【００４６】すなわち、ホログラムレンズをｎ個円周上
に配置し、また１つのホログラムレンズについては円筒
体の回転に対応して光センサ１０の出力をｍ回サンプリ
ングするものとし、１軸ステージ５の移動方向について
はｑ個のサンプリングポイントを持つものとすると、ｘ
方向についてはｑ点の分解能をもち、ｙ方向については
ｎ点の分解能を持ち、ｚ方向についてはｍ点の分解能を
持つことになる。

【００４７】したがって、前記円筒体１の１回転および
１軸ステージ５の全領域にわたる移動に対応して、ｑ×
ｎ×ｍ個の光センサ１７の出力を得ることができる。制
御装置６においては、同じｘ−ｙ座標を持ちＺ座標が異
なるｍ個の光センサ１７の出力をそれぞれ比較し、これ
らｍ個の光センサ出力のうちの最大出力のものを選択す
る。そして、該最大出力が得られたｚ座標を前記ｘ−ｙ
座標値における被測定物体４のｚ方向距離として求め
る。このような演算処理を全てのｘ−ｙ座標について各
別に実行することにより被計測物体４の３次元走査を行
うことができる。方向ｘ−ＲーΘの全ての走査を実行す
る。

【００４８】図９は、この発明の他の実施例を示すもの
で、この場合は円筒体１を４個併設するようにしてい
る。勿論、各円筒体１には、複数のホログラムレンズが
それぞれ周設されており、共焦点光学系も各円筒体に各
別に備えられている。これらの円筒体は前記同様駆動モ
ータ２によって回転駆動される。また、円筒体１の下方
には、１軸ステージ５が配設されている。すなわち、こ
の実施例では、円筒体１を４個併設することによりｙ方
向の分解能を４倍にしている。

【００４９】なお、共焦点光学系の構成はー例を示した
もので、実施例に示したものと同一の機能を達成できる
ものであれば、他の構成を採用するようにしてもよい。

【００５０】例えば、上記実施例では、共焦点光学系７
のビームスプリッタ１２としてハーフミラーを用いるよ
うにしているが、ホログラムに多重記録の特性を持たせ
ると、ビームスプリット機能をホログラムに持たせるこ
ともできる。

【００５１】すんわち、図１０に示すように、レーザ光
源１１から発生されたレーザ光をレンズ１４によって集
光する。集光された光は焦点Ｆaを中心とする球面波と
してホログラムレンズＨに投光され、ホログラムレンズ
Ｈによって焦点Ｆbに集光される。焦点Ｆbからの反射散
乱光は、前記多重露光が施されたホログラムＨによって
前記焦点Ｆaと共役な点Ｆa´に集光される。この共役点
Ｆa´には、ピンホール１６が配置されており、ピンホ
ール１６を通過した光が光センサ１７に入射される事に
なる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
円筒体に焦点位置の異なる複数のホログラムレンズを周
設し該円筒体を回転駆動するとともに、被計測物体を載
置する移動ステージをー軸方向へ移動する構成により被
計測物体を３次元方向に走査するようにしたので、従来
の３次元形状計測器では計測が難しかった広い領域に亘
っての３次元計測を精度よく高速になし得、半導体部品
検査や、基板の実装検査など広い分野に応用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施例を示す斜視図。

【図２】この発明を実施例を示す断面図

【図３】この発明の実施例を示す斜視図。

【図４】円筒波を照射する共焦点光学系の一例を示す
図。

【図５】球面波を照射する共焦点光学系の一例を示す
図。

【図６】円筒波用のホログラムレンズの集光作用を示す
図。

【図７】球面波用のホログラムレンズの集光作用を示す
図。

【図８】この発明の原理図。

【図９】複数の円筒を並設した実施例を示す図。

【図１０】ホログラムレンズによるビームスプリット機
能を示す図。

【図１１】共焦点光学系の原理図。

【図１２】共焦点光学系の焦点のずれ態様を示す図。

【図１３】物体表面のレンズからの距離に対応する光セ
ンサ出力を示す図。

【図１４】共焦点光学系を用いた従来の３次元形状計測
器の一例を示す図。

【符号の説明】

１…円筒体 ２…駆動モータ ３…円筒体の中心軸 ４…被計測物体 ５…１軸ステージ ６…制御装置 ７…共焦点光学系 １１…レーザ光源 １７…光センサ Ｈ1〜Ｈn…ホログラムレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩 耕史 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 鈴木 徹 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 安藤 学 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内 (72)発明者 溝口 清和 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒体と、 この円筒体を回転駆動する回転駆動手段と、 前記円筒体の外側に配設され、被計測物体を載置して円
   筒体の軸方向ｙに垂直な１軸方向ｘに移動走査される被
   計測物体移動手段と、 前記円筒体の円周面に沿って配設され、入射された光を
   集光する複数のホログラムレンズと、 前記円筒体内に配設され、該円筒体の中心軸を焦点とす
   る球面波又は円筒波を円筒体に照射することにより該球
   面波又は円筒波を前記円周面上のホログラムレンズを介
   して前記被計測物体に集光する投光系と、前記被計測物
   体上での散乱光を前記ホログラムレンズを経由させた後
   集光する受光系とを有し、前記球面波又は円筒波の前記
   円筒体に対する照射方向がｘｙ平面に対して所定の角度
   βをなすように配設された共焦点光学系と、 を具え、 前記複数のホログラムレンズに対し、入射された球面波
   又は円筒波の光軸をｘｚ平面（ｚ方向；ｘ及びｙ方向に
   直角な方向）においてほぼ角度γ（＝９０゜−β）だけ
   偏向するよう露光を施し、かつホログラムレンズに入射
   された球面波又は円筒波を前記ｙ方向の異なる位置に集
   光するような露光を各ホログラムレンズに施すととも
   に、 更に、 前記共焦点光学系の受光系によって集光された光を受光
   する受光センサと、 前記回転駆動手段による円筒体の回転駆動および前記被
   計測物体移動手段による被計測物体の移動に対応する前
   記受光手段の各出力に基づき前記被計測物体の３次元距
   離計測を行う３次元距離計測手段と、 を具える３次元形状計測装置。