JPH11201725A

JPH11201725A - 三次元アレイ・センサ

Info

Publication number: JPH11201725A
Application number: JP10302122A
Authority: JP
Inventors: Peng Seng Toh; トー・ペング・セング
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 1999-07-30
Also published as: EP0914035A2; EP0914035A3; US5940566A

Abstract

(57)【要約】【目的】一点ではなく面の各部分の高さを非接触で測定
する。【構成・作用】高さを測定する物体表面６上の各点のイ
メージは光ファイバの束１０によってイメージング・ア
レイ検出器１８上に形成される。このイメージの各点の
高さをイメージ・プロセッサ２１によって求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は区域上で非接触変位
測定を行う装置に関するものであり、特にイメージング
(imaging)を使用するこのような装置に関する。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】現時点で利用できる殆どの
非接触変位センサは、単一点の測定を行なうことができ
るだけである。普通に使用されている手法には、容量
性、誘導性、磁気的、及び光反射検知法がある。容量性
検知法の場合には、プローブと目標の間の電気的キャパ
シタンスを電圧出力に変換する。プローブと目標の間の
変位はコンデンサの誘電厚さとなり、したがってその厚
さの変化はその電気的キャパシタンスを変化させる。こ
の形式の変位検知では、目標は、閉回路を形成するため
に通常接地される。磁気変位センサでは、磁界はセンサ
・ヘッドと目標の間の空隙に従って変化する。

【０００３】光反射センサは、普通に使用されているセ
ンサである。このようなセンサでは、光ビームが伝達さ
れ、この光ビームが物体（すなわち、目標）から跳ね返
る反射が受けられて分析される。変位測定は、伝達ファ
イバの照射のフィールドと受信ファイバの視界の間の相
互作用に基づいている。接触している、つまり間隙がゼ
ロの場合には、伝達ファイバを出る光の大部分は、反射
されてこれらのファイバに直接戻される。受信ファイバ
に光が与えられず、出力信号は「ゼロ」である。目標に
対するプローブの変位が増大するにつれて、より多量の
光が受信ファイバにより捕らえられる。この関係は、受
信ファイバの面全体が反射光で照射されるまで続く。こ
の点を「光学ピーク」といい、最大電圧出力に対応す
る。光学ピークに達した後は、変位を増大し続けると、
反射光の発散フィールドを生じて受信ファイバの視界を
超え、出力対変位信号の関係を逆転させる。

【０００４】更に遠方の変位の測定では、光検知法は有
効でない。代わりに単純三角測量の原理を使用して、物
体と発信機の間の変位を計算する。光受信機は光のレベ
ルを電圧信号に変換する単純な光検出器ではない。単純
な光検出器を使う代わりに、位置検知デバイス（ＰＳ
Ｄ）を使用して反射光ビームの中心を突き止める。次に
反射光ビームの位置を使用して変位を計算する。光源を
発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザから発生するこ
とができる。単一点変位センサが物体の完全な表面プロ
フィル、すなわち三次元データを得るためには、単一点
変位センサが全表面にわたり走査するようにしなければ
ならない。このような走査の大きな短所はかかる時間が
長いことである。これに加えて、この種の機構には高精
度の機構が必要である。

【０００５】点から点への走査の必要なしに区域上で三
次元測定を行なうことができる光学的方法が存在する。
これらの方法は、ホログラフ干渉法、モアレ法、及びス
ペックル写真法である。ホログラフ法では、すべての物
体各々についてホログラムを製作する必要がある。同様
に、モアレ法は、予め製作した回折格子を用いて開始し
なければならない。必要なのは、三次元変化を決定する
比較的簡単な手法である。

【０００６】

【概要】本発明は、物体の表面プロフィルを測定するこ
とができる装置であって、物体表面の多数の三次元デー
タを同時に集める装置である。

【０００７】本発明の一局面によれば、コヒーレント・
イメージング・ファイバ束を使用して光を送受信する。
コヒーレント・イメージング・ファイバ束の中の光ファ
イバの各々は、単一点の三次元データを集める任務を持
つ。多数のイメージング・ファイバを使用すれば、それ
らに対応する多数の三次元点を集めることができる。コ
ヒーレント・イメージング・ファイバ束の、以下で物体
端と呼ぶ一方の端は、物体の表面に向けられる。コヒー
レント・イメージング・ファイバ束の、以下でイメージ
ング端と呼ぶ他方の端は、反射防止皮膜で被覆され、ビ
ーム・スプリッタに接続されている。コヒーレント・イ
メージング・ファイバ束の端面は、非常に高度の平坦度
に研磨されている。一様光源が光をビーム・スプリッタ
に伝え、この光の一部がコヒーレント・イメージング・
ファイバ束内に反射される。光は次に各ファイバを通過
して物体端を出る。伝達された光は、物体表面で反射さ
れ、同じフアイバに戻る。反射光はファイバをたどり、
ファイバ束のイメージング端から出る。

【０００８】本発明の他の局面によれば、反射光は、ビ
ーム・スプリッタを通過し、イメージング・アレイ・セ
ンサに伝えられる。普通に使用されているイメージング
・アレイ・センサはＣＣＤ（電荷結合装置）センサであ
る。単一のファイバが幾つかのＣＣＤ画素に結像され
る。ファイバ及びビーム・スプリッタを通る反射光の強
さが解析される。伝達光の強さに対する反射光の強さの
程度を使用して、ファイバの物体端と光が反射される物
体点の間の変位を計算する。各ファイバの開口数は小さ
いので、迷光に影響されない。イメージング・アレイ・
センサの出力はディジタル化され、解析のためイメージ
・プロセッサに送られる。画像処理及び分析の手法を使
用してコヒーレント・イメージング・ファイバ束のイメ
ージング端の強度像解析する。多数のファイバのイメー
ジング端をカバーするため、複数の関心領域（region-o
f-interest, ＲＯＩ）を作る。１つのＲＯＩは、各ファ
イバからの光を集めるために割り振られているいくつか
の画素からなっている。

【０００９】一実施例では、平均値(mean)及び中間値(m
edium)の計算のような計算は、反射光の強さは光源と受
信機の間の距離に逆比例するということを述べる逆二乗
則の原理に基づき、各ＲＯＩに適用される。反射光の強
さは表面のアルベド(albedo)によっても変わる。表面が
非常に輝いている、すなわち反射性であれば、光の大き
な部分が反射される。本発明によれば、物体表面は、同
じ材料のもの、したがって同一アルベドのものであるべ
きである。画像処理／解析手段を使用することにより、
物体上の関心区域を容易に再構成することができる。た
とえば、画像上の一定の関心領域が関心のある表面域の
外側にあれば、この領域を計算する必要はない。校正を
行なって、各種の材料について反射光の強さと変位の間
の関係を決定する。校正の結果を、反射光の強さを変位
に関係付ける参照表（ＬＵＴ）に格納する。参照表（Ｌ
ＵＴ）を使用することにより計算が減る。

【００１０】本発明の他の局面によれば、コヒーレント
・イメージング・ファイバ束はその両端で別々のアスペ
クト比を有することができる。コヒーレント・イメージ
ング・ファイバ束の物体端で、束の形状を関心区域に合
わせる。イメージング端では、コヒーレント・イメージ
ング・ファイバ束の形状及びアスペクト比を画像検出器
のものに合わせることができる。

【００１１】

【実施例】図３に示す実施例では、本発明は、コヒーレ
ント・イメージング・ファイバ束10を設けている。コヒ
ーレント・イメージング・ファイバ束10の一端は、三次
元データを測定しようとする物体表面6において真正面
に向いている。これは、コヒーレント・イメージング・
ファイバ束10の物体端12と呼ばれる。コヒーレント・イ
メージング・ファイバ束10のイメージング端11である他
端は、ビーム・スプリッタ14に接続されている。ビーム
・スプリッタ14の一方の側は、コリメータ１５を介して
光源１６に接続されている。光源16及びコリメータ15か
らのコリメート光は、ビーム・スプリッタ14に一様に当
たり、反射されてコヒーレント・イメージング・ファイ
バ束10に入る。コヒーレント・イメージング・ファイバ
束10のイメージング端11に対向しているビーム・スプリ
ッタ14の一方の側に、コヒーレント・イメージング・フ
ァイバ束10の像を画像検出器18に伝えるリレー・レンズ
17がある。画像検出器18は、複数の画素要素がコヒーレ
ント・イメージング・ファイバ束10の中の各ファイバ30
（図４を参照）からの光を集めるＣＣＤセンサである。
画像検出器18は、画像検出器18により発生されたビデオ
信号が後続の画像処理でイメージ・プロセッサ21により
ディジタル化されるように、フレーム・グラバ20に接続
されている。

【００１２】図４に示したように、コヒーレント・イメ
ージング・ファイバ束10は、画像を最小歪みで伝えるこ
とができる整然とした仕方で設置された複数のファイバ
30を備えている。各ファイバ30は、物体表面6の特定の
一つの点で変位を測定する任務を持っている。コヒーレ
ント・イメージング・ファイバ束10のイメージング端11
は反射防止（ＡＲ）皮膜の層で被覆され、光源からの光
が反射されて直接画像検出器18内に入ることがないよう
にしている。物体表面6からの反射光だけが測定の関心
事である。本発明が動作する周囲光条件は重要である。
光源16に対して非常に低い周囲光レベルを維持しなけれ
ばならない。周囲光レベルを制御するには光遮蔽を使用
する。

【００１３】本発明では、反射光37は、ビーム・スプリ
ッタ14を通過し、イメージング・アレイ検出器18に伝え
られる（図３を参照）。普通に使用されるイメージング
・アレイ・センサはＣＣＤ（電荷結合素子）センサであ
る。単一ファイバ30が幾つかのＣＣＤ画素上に結像され
る。ファイバ30及びビーム・スプリッタ14を通過する反
射光37の強さが解析される。伝達光の強さに対する反射
光の強さの大きさを使用して、ファイバ物体端12と光が
反射される物体点の間の変位36を計算する。各ファイバ
30には開口数が小さいので、迷光に影響されることはな
い。イメージング・アレイ検出器18の出力はフレーム・
グラバ20によりディジタル化され、画像解析のためイメ
ージ・プロセッサ21に送られる。画像処理及び解析の手
法を使用してコヒーレント・イメージング・ファイバ束
10のイメージング端11の強度画像40を解析する。複数の
関心領域（ＲＯＩ）41を作り、多数のファイバを持つイ
メージング端11をカバーする。幾つかの画素から成るＲ
ＯＩ41は、各ファイバ30からの光を集めるように割り振
られる。

【００１４】本発明の有効変位範囲Ｚ 36は、装置の空
間解像度により変わる。空間解像度は、隣接しているフ
ァイバ30の間の間隔の他、ファイバ30の開口数によって
も支配される。

【００１５】各ＲＯＩの強度分布の平均値及び中間値
を、反射光37の強さが光源と受信機の間の距離36の２乗
に反比例するということを述べる逆二乗則の原理に基づ
いて計算する。反射光37の強さは物体表面のアルベドに
よっても変わる。表面が非常に輝いている、すなわち反
射性であれば、光の大きな部分が反射される。本発明
は、同じ材料の、したがって同一アルベドの物体表面に
適用できる。画像処理／解析手段を使用することによ
り、画像上ＲＯＩは、物体上の関心区域だけに適用され
る。したがって、測定の区域を違う要求に合わせて容易
に再構成することができる。融通の利かない純粋光学的
検知手段とは異なり、本発明は画像処理／解析能力のた
め広く多様な要求に適応する柔軟性を備えている。

【００１６】変位を測定する本発明の精度は、画像検出
器及びイメージ・プロセッサのダイナミック・レンジに
よって決まる。たとえば、10ビットのシステムを使用す
れば、有効変位範囲Ｚ 36を1024の離散的なステップに
分割することができる。変位の分解能はＺ／1024に等し
い。要約すれば、分解能はＺ／(２**n)に等しい（**は
べき乗を表す演算子である）。ここで、ｎはフレーム・
グラバ及び画像処理システムのビット数である。

【００１７】特定のファイバ30の反射ビーム37のＲＯＩ
の平均強度である強さＩは、変位Ｚに、Ｉ＝ＳＰ／(Ｚ**2) のように関係している。ここでＳは光源16により発生さ
れた伝達光の強さであり、Ｐは物体表面６のアルベドで
あり、Ｚは変位36である。Ｐが測定を行なう物体6の全
表面に渡って一様であり、Ｓもコヒーレント・イメージ
ング・ファイバ束10の中の個別フアイバすべてについて
一定であるという情況を与えれば、Ｉは変位Ｚにしたが
って変化するだけである。Ｓ及びＰは既知の変位を使用
して校正により容易に求めることができる。

【００１８】強さと変位の間の非線形関係を、参照表
（ＬＵＴ）を使用して線形化することができる。ＬＵＴ
の内容は、校正プロセスにより経験的に得られる。ＬＵ
Ｔは、入力値を他の値に効果的に変換する。未知材料で
できた新しい物体を使用するときはいつでも、校正を行
なってＳ及びＰの値を得る。ＬＵＴを使用すれば時間の
かかる複雑な計算の必要性がなくなるようにできる。

【００１９】図６で見ることができるように、本発明を
集積回路（ＩＣ）51のリードの形状、特に共面性、の測
定に最もよく適用できる。リードの共面性は、すべての
リード50の平坦度の包括的な尺度である。理想的には、
ＩＣパッケージ51のすべてのリード50は、共通の設置平
面53の上にある。実際には、リード25のような幾つかの
リード50は必要な長さよりも短くなっていて理想的設置
平面53から偏倚している（図７を参照）。偏りの程度は
共面性の尺度として知られている。ＩＣパッケージの共
面性の厳密な制御に関する要求事項は、リード本数が多
いＩＣにとっては非常に苛酷である。必要とされる精度
は10ミクロンより良くなければならない。測定の速さも
極端に速くなければならない。

【００２０】図６及び図７に見ることができるように、
ＩＣリードの形状の測定に本発明を使用するに際し、コ
ヒーレント・イメージング・ファイバ束10の物体端12を
ＩＣパッケージ51のリード50の下に設置する。すべての
リード50をＩＣ51の一方の側に取ることにより、囲み長
方形54の形状が横長であることがわかる。換言すれば、
長方形54は高アスペクト比を有している。アスペクト比
は、長方形の長さと幅の比と定義されている。本発明の
特定の実施例では、物体端12の高いアスペクト比（図
３）は、イメージ検出器18のアスペクト比に最も良く適
合するアスペクト比に変換される。図８に示す一例で
は、コヒーレント・イメージング・ファイバ束10は、３
つの区画80、81及び82に分割されている。物体端12で
は、３つの区画80、81、及び82は縦に整列している、つ
まり、一列になっている。コヒーレント・イメージング
・ファイバ束10のイメージング端11では、３つの区画は
互いに積み重なり、横に、つまり厚み方向に整列してい
る。図示した例では、コヒーレント・イメージング・フ
ァイバ束10の物体端でのアスペクト比は12：１である。
図８に示すイメージング端11ではアスペクト比は４：３
に減少しており、これは最も普通に見られるイメージ検
出器18のアスペクト比に合っている。

【００２１】本発明を利用するＩＣリードの形状の測定
では、ＩＣ51のリード50の各々の下に複数のファイバが
存在する。複数の変位測定がどの一本のリード50につい
ても行なわれる。各リードに関して複数の変位測定値を
得ることにより、リードの三次元プロフィルを集めるこ
とができる。他方、２本のリードの間の間隙の下にファ
イバが存在する。この間隙では、有効変位範囲内に物体
が存在しないので、光の反射は生じない。画像処理手段
を使用することにより、ＲＯＩはリードの存在が予想さ
れる画像区域に割り当てられる。各ファイバから反射さ
れる光の平均強さが計算され、これに基づいて各ファイ
バについて変位を得る。更に解析を行なって、すべての
リードの共面性を決定することができる。

【００２２】以下に本発明の実施態様の例を列挙する。

【００２３】［実施態様１］以下の(a)ないし(d)を設
け、物体６の表面の三次元変化を検知する装置： (a) 照射光ファイバ（たとえば、30）のアレイ（たとえ
ば、10）：前記光ファイバの各々は端を有する照射端部
分を有し、前記照射部分は与えた光を反射させようとす
る表面に入射する光を放出する； (b) 物体光ファイバ（たとえば、30）のアレイ（たとえ
ば、10）：前記物体光ファイバの各々は、前記表面から
反射された光が入り、それを通して伝達される物体端を
有する； (c) 前記表面から反射され、前記物体光ファイバを通し
て伝えられる光を検知するカメラ（18）； (d) 物体光ファイバ（たとえば、30）からカメラ（18）
に伝えられる光を分析して表面のトポグラフ値を推論す
るためのプロセッサ（21）。

【００２４】［実施態様２］前記照射光フアイバ（たと
えば、30）の前記照射端部分が実質的に互いに平行にな
るように設置されていることを特徴とする実施態様１に
記載の装置。

【００２５】［実施態様３］照射光フアイバ（たとえ
ば、30）は物体光ファイバ（たとえば、30）としても動
作することを特徴とする実施態様１または２に記載の装
置。

【００２６】［実施態様４］前記カメラ（18）は区域画
像センサを備えていることを特徴とする実施態様１から
３までのいずれかに記載の装置。

【００２７】［実施態様５］区域画像センサは、表面か
ら反射された光を伝達する各光ファイバ（たとえば、3
0）からの光を受けるための多数の画素を備えているこ
とを特徴とする実施態様４に記載の装置。

【００２８】［実施態様６］プロセッサ（20）は、区域
画像センサの画素により検知された光の強さの変動によ
り、表面のトポグラフ値を計算することを特徴とする実
施態様５に記載の装置。

【００２９】［実施態様７］区域画像センサは電荷結合
デバイス（ＣＣＤ）であることを特徴とする実施態様４
から６までに記載の装置。

【００３０】［実施態様８］照射光ファイバ（たとえ
ば、30）は各々、小さい開口数を備えて迷光を減らすこ
とを特徴とする実施態様１から７までに記載の装置。

【００３１】［実施態様９］物体６の表面の三次元変化
を検知する方法において、各々が端を有する照射端部分
を有し、それにより反射させようとする表面に当たる光
を放出する照射光フアイバ（たとえば、30）のアレイで
照射するステップと、表面により反射された光を物体光
ファイバ（たとえば、30）の配列で受け、光をそれを通
して伝達するステップであって、各物体光ファイバ（た
とえば、30）は表面から反射された光が入る物体端を有
しているステップと、表面から反射された光を検知し、
物体光ファイバを通して伝達するステップと、物体光フ
ァイバを通して伝達された光を分析し、検知された光の
変化に基づき表面のトポグラフ値に関して推論するステ
ップと、を備えていることを特徴とする方法。

【００３２】［実施態様１０］照射端部分からの光は、
逆二乗則に従って表面に伝播し、検知は、各画素からの
光を受ける多数の画素を有する電荷結合装置で行なわ
れ、別々の画素により検知された光の変化を分析して表
面のトポグラフ値の差を推論することから成ることを特
徴とする実施態様９に記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】変位検知の色々な方法を示す図。

【図２】光反射変位検知の原理を示す図。

【図３】本発明のブロック図。

【図４】コヒーレント・イメージング・ファイバ束の物
体端の平面図及び側面図。

【図５】各ファイバから画像を受ける多数関心領域（Ｒ
ＯＩ）に関する画像処理を示す図。

【図６】通常の集積回路（ＩＣ）パッケージの平面図及
び側面図。

【図７】集積回路パッケージのリード共面性測定を示す
図。

【図８】物体及び画像検出器の形状を合わせるアスペク
ト比変換を示す図。

【符号の説明】

６：物体表面１０：イメージング・ファイバ束１１：イメージング端１２：物体端１４：ビーム・スプリッタ１５：コリメータ１６：光源１７：リレー・レンズ１８：イメージング・アレイ検出器２０：フレーム・グラバ２１：イメージ・プロセッサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】以下の(a)ないし(d)を設け、物体６の表面
の三次元変化を検知する装置： (a) 照射光ファイバのアレイ：前記光ファイバの各々は
端を有する照射端部分を有し、前記照射部分は与えた光
を反射させようとする表面に入射する光を放出する； (b) 物体光ファイバのアレイ：前記物体光ファイバの各
々は、前記表面から反射された光が入り、それを通して
伝達される物体端を有する； (c) 前記表面から反射され、前記物体光ファイバを通し
て伝えられる光を検知するカメラ； (d) 物体光ファイバからカメラに伝えられる光を分析し
て表面のトポグラフ値を推論するためのプロセッサ。