JPH11218416A - Optical system for three-dimensional shape measurement - Google Patents

Optical system for three-dimensional shape measurement

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JPH11218416A
JPH11218416A JP33253398A JP33253398A JPH11218416A JP H11218416 A JPH11218416 A JP H11218416A JP 33253398 A JP33253398 A JP 33253398A JP 33253398 A JP33253398 A JP 33253398A JP H11218416 A JPH11218416 A JP H11218416A
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義一 柿木
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雅人 中島
Tetsuo Hizuka
哲男 肥塚
Noriyuki Hiraoka
規之 平岡
Hiroyuki Tsukahara
博之 塚原
Yoshinori Sudo
嘉規 須藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an optical system which can simply measure a three- dimensional form at a high speed. SOLUTION: This optical system is provided with a collimator lens 23 converting a laser beam from a laser light source 21 to a parallel light, a scanning optical system 31 scanning vertically an object 50 with the laser parallel light, a mirror 29 which makes a specified angle, nearly vertical to the object, is arranged at a specified distance from the scanning beam, and receives an obliquely reflected light from the object, an imagery lens 33 which forms again the image of reflected light from the object by a mirror, via the scanning optical system, and a photo detector 35 detecting an imagery beam spot by the imagery lens. The scanning optical system 31 is provided with a deflection mirror 25 deflecting the laser parallel light to a specified direction, and a parabolic mirror 27 which reflects the deflected light and makes a beam enter the object from the vertical direction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は物体の3次元形状及
び必要に応じて濃淡パターンを計測する装置の光学シス
テムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical system of an apparatus for measuring a three-dimensional shape of an object and, if necessary, a shading pattern.

【0002】[0002]

【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、プリント板上への表面実装部品(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。
2. Description of the Related Art Methods for measuring the three-dimensional shape of an object in a non-contact manner include, for example, the mounting state of a surface-mounted component (such as a circuit element) on a printed circuit board (whether or not mounted, displacement, mounting direction, chipping of the element) Is used as an effective method for automatically inspecting the surface of a workpiece (such as a lift). The main one of the conventional measuring methods is a light cutting method.

【0003】図11に光切断法による物体の高さ計測方
法の原理を示す。同図において、被計測物体10の真上
からスリット光L1 を照射し、光切断線を斜め方向から
TV(テレビ)カメラ13で撮像する。図11に示す物
体形状の場合、図12に示す如く高さ部分に相当する個
所が、例えば、輝度イメージとしてTVカメラ13によ
りモニターされる。このイメージパターンを各ライン
(縦方向)毎に横方向(x方向)に走査して三角法によ
り全体形状(高さ)を検出する。
FIG. 11 shows the principle of a method for measuring the height of an object by the light section method. In the figure, irradiated slit light L 1 from directly above the object to be measured 10, imaging the light cutting line obliquely with TV (television) camera 13. In the case of the object shape shown in FIG. 11, a portion corresponding to the height portion as shown in FIG. 12 is monitored by the TV camera 13 as a luminance image, for example. This image pattern is scanned in the horizontal direction (x direction) for each line (vertical direction), and the overall shape (height) is detected by triangulation.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の光切
断方法ではx−y走査に時間がかかり、計測速度が非常
に遅いという欠点がある。検出された画像から高さを求
める処理をハードウェアによってリアルタイム化して
も、1ラインの高さの計測に少なくとも1/30秒(1
フレームの時間)程度かかるのが実情である。この計測
速度では高速処理化の要請には十分応えられない。
However, the above-mentioned light cutting method has a drawback in that it takes a long time for xy scanning and the measurement speed is very slow. Even if the processing for obtaining the height from the detected image is performed in real time by hardware, at least 1/30 second (1
Actually, it takes about (frame time). At this measurement speed, the demand for high-speed processing cannot be sufficiently satisfied.

【0005】本発明の目的は計測時間の短縮と正確な計
測を実現し得る簡易構造の光学システムを提供すること
にある。
An object of the present invention is to provide an optical system having a simple structure capable of shortening the measurement time and realizing accurate measurement.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る3次元形状測定用光学システムは、図
1に示す如く、レーザ光源(21)からのレーザビーム
を平行光に変換するコリメートレンズ(23)と、この
レーザ平行光を被計測物(50)に垂直に走査する走査
光学系(31)と、被計測物に対し垂直に近い所定の角
度をなし、走査ビームから所定の距離に配置され、被計
測物からの斜め反射光を受けるミラー(29)と、該ミ
ラーによる被計測物からの反射光を上記走査光学系を介
して再結像する結像レンズ(33)と、該結像レンズに
よる結像ビームスポットを検出する光検出器(35)と
を有し、上記走査光学系(31)はレーザ平行光を所定
方向に偏向する偏向ミラー(25)と、その偏向光を反
射して被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡(2
7)とを有することを構成上の特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a three-dimensional shape measuring optical system according to the present invention converts a laser beam from a laser light source (21) into parallel light as shown in FIG. A collimating lens (23), a scanning optical system (31) for vertically scanning the object to be measured (50) with the laser parallel light, and a predetermined angle nearly perpendicular to the object to be measured; A mirror (29) arranged at a distance and receiving obliquely reflected light from the object to be measured, and an imaging lens (33) for re-imaging the light reflected by the mirror from the object to be measured via the scanning optical system. A scanning optical system (31) for deflecting the laser parallel light in a predetermined direction; and a deflection mirror (25) for deflecting the laser parallel light in a predetermined direction. Reflects light to project Parabolic mirror for incident beam vertically (2
7) is a structural feature.

【0007】上記放物面鏡の代わりにf・θレンズ41
(図2)を用いることも可能である。
[0007] Instead of the parabolic mirror, f · θ lens 41
(FIG. 2) can also be used.

【0008】上記レーザビームの往路内に被計測物に反
射され、往路を逆行する復路のビームを偏光するλ/4
板(36)と、その偏光光を分離する偏光ビームスプリ
ッタ(38)とを配置し、更に、ビームスプリッタによ
り分離されたビームを収束するレンズ(40)と、その
収束光を検出する第2の光検出器(35B)とを付設す
ることができる。
The laser beam is reflected by the object to be measured in the outward path and is polarized in the backward path, which reverses the outward path, to λ / 4.
A plate (36), a polarizing beam splitter (38) for separating the polarized light, a lens (40) for converging the beam split by the beam splitter, and a second lens for detecting the converged light. A photodetector (35B) can be additionally provided.

【0009】第2光検出器の手前には被計測物上のビー
ム照射点からの反射光を遮断するマスクを設けることが
できる。
In front of the second photodetector, a mask for blocking reflected light from a beam irradiation point on the object to be measured can be provided.

【0010】光検出器は好ましくはPSDである。この
時、第1PSDによる被計測物の高さ情報はPSDの出
力をIa ,Ib とした時、 で表される。
[0010] The light detector is preferably a PSD. At this time, the height information of the object to be measured according 1PSD is that the output of the PSD I a, and I b, It is represented by

【0011】第2PSDの出力をΔIとした時に、第1
PSDの出力を第2PSDの出力により補正すれば、高
さ情報は次式により表示される。
When the output of the second PSD is ΔI, the first PSD
If the output of the PSD is corrected by the output of the second PSD, the height information is displayed by the following equation.

【0012】第1PSDの両側に第2、第3のPSDを
配置することも可能である。この場合、第1、第2、第
3PSDの出力を夫々Ia ,Ib :Ic ,Id :I e
f とした時、被計測物の高さ情報は次式で与えられ
る。
[0012] Second and third PSDs are provided on both sides of the first PSD.
It is also possible to arrange. In this case, the first, second,
3PSD output is Ia, Ib: Ic, Id: I e,
IfThen, the height information of the measured object is given by
You.

【0013】図1に示す如く、レーザ光源21から出射
されるレーザビームはコリメートレンズにより平行光に
変換される。このレーザ平行光は所定の入射角で偏向ミ
ラー25に入射し、それにより偏向された反射光は放物
面鏡27に入射する。放物面鏡により反射されるレーザ
ビームスポットを被計測物50に垂直に照射し、偏向ミ
ラーと放物面鏡とによりレーザビームスポットを走査す
る。
As shown in FIG. 1, a laser beam emitted from a laser light source 21 is converted into parallel light by a collimating lens. This laser parallel light enters the deflection mirror 25 at a predetermined incident angle, and the reflected light deflected thereby enters the parabolic mirror 27. A laser beam spot reflected by the parabolic mirror is irradiated perpendicularly to the object 50, and the laser beam spot is scanned by the deflecting mirror and the parabolic mirror.

【0014】被計測物による反射散乱光の一部はミラー
29により反射され、偏向ミラーと放物面鏡とを経て再
結像レンズ33により結像し光検出器35上に合焦す
る。光検出器35による検出光は周知の方法により信号
処理回路45により信号処理され、高さ信号S1 及び必
要に応じて明るさ信号S2 として取り出すことが出来
る。
A part of the scattered light reflected by the object to be measured is reflected by a mirror 29, passes through a deflecting mirror and a parabolic mirror, forms an image by a re-imaging lens 33, and is focused on a photodetector 35. The light detected by the photodetector 35 is signal-processed by a signal processing circuit 45 by a well-known method, and can be extracted as a height signal S 1 and, if necessary, a brightness signal S 2 .

【0015】上記放物面鏡25の代わりにf・θレンズ
41(図2)を用いた場合にも全く同様の作用を呈す
る。偏向ミラーと放物面鏡あるいはf・θレンズとを用
いた走査光学系自体はレーザプリンタ等に用いられてお
り、周知である。
When the f.theta. Lens 41 (FIG. 2) is used instead of the parabolic mirror 25, exactly the same operation is exhibited. A scanning optical system itself using a deflecting mirror and a parabolic mirror or an f · θ lens is used in a laser printer or the like and is well known.

【0016】レーザビームの往路内に被計測物の照射部
からの拡散光を外部に取り出すビーム分離手段を設ける
ことにより、この取り出したビームを第2の光検出器に
より検出し、それを第1光検出器の出力値の演算補正値
として利用することが出来る。
By providing a beam separating means for extracting diffused light from the irradiated portion of the object to the outside in the outward path of the laser beam, the extracted beam is detected by the second photodetector and is detected by the first photodetector. It can be used as a calculation correction value of the output value of the photodetector.

【0017】また、第1PSDの両側に第2、第3のP
SDを配置し、その検出値により第1PSDの出力を補
正し、拡散光による誤差を小さくすることが出来る。
The second and third Ps are provided on both sides of the first PSD.
By arranging the SD, the output of the first PSD is corrected based on the detected value, and errors due to diffused light can be reduced.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を詳細に説
明する。図3,4に本発明の一実施例を示す。基本的に
は図1に示す構成と同様であり、対応する部品は図1と
同一番号で示し、重複説明を省略する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. 3 and 4 show one embodiment of the present invention. Basically, the configuration is the same as that shown in FIG. 1, and the corresponding parts are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1, and redundant description will be omitted.

【0019】図3,4において、レーザ光源(例、半導
体レーザ)21からのレーザ光L2をコリメートレンズ
23により平行光L3 に変換し、偏向ミラー25に入射
する。偏向ミラー25は例えば回転軸線Oを中心に回転
するそれ自体公知のポリゴンミラー(回転多面鏡)を用
いることが出来る。ポリゴンミラー25による反射光L
4 は放物面鏡27により所定方向に反射される。放物面
鏡27は周知の如くその焦点距離に像を結像する機能も
有する。従って、直交x−y平面内において可動なステ
ージ51上に載置された被計測物50は放物面鏡27の
焦点距離に置かれる。図示実施例では被計測物50は水
平平面内に置かれているために、これに上方から垂直に
走査ビームL5 を入射し得るように放物面鏡27と被計
測物50との間に第1のミラーM1 が設けられている。
この第1ミラーM1 と後述の第2ミラーM2 及び第3ミ
ラーM3 は単に光路の方向を変えるためだけのもので、
各光学要素の配置によっては図1に示す如く不要となす
ことも、あるいは更に第3、第4…の適宜の数のミラー
を設けることも可能である。
3 and 4, a laser beam L 2 from a laser light source (eg, a semiconductor laser) 21 is converted into a parallel beam L 3 by a collimating lens 23 and is incident on a deflection mirror 25. As the deflection mirror 25, for example, a polygon mirror (rotating polygon mirror) known per se, which rotates around the rotation axis O, can be used. Light L reflected by polygon mirror 25
4 is reflected by the parabolic mirror 27 in a predetermined direction. The parabolic mirror 27 also has a function of forming an image at its focal length, as is well known. Therefore, the measured object 50 placed on the movable stage 51 in the orthogonal xy plane is located at the focal length of the parabolic mirror 27. For the illustrated embodiment the object to be measured 50, which is located in a horizontal plane, this between the object to be measured 50 and a parabolic mirror 27 so as to incident scanning beam L 5 vertically from above first mirror M 1 is provided.
The first mirror M 1 and the second mirror M 2 and the third mirror M 3 described later merely only for changing the direction of the optical path,
Depending on the arrangement of each optical element, it may be unnecessary as shown in FIG. 1, or an appropriate number of third, fourth,... Mirrors may be provided.

【0020】被計測物50の近傍に配置されるミラー2
9は被計測物に対して略垂直に近い傾斜角度βを形成す
る。またミラー29は被計測物への照射ビームL5 の近
傍(間隔d)に配置される。これにより、ミラー29に
より往路(照射ビームL5 )と略平行でかつ往路に近接
した一種の再帰反射系が形成される。ミラー29は被計
測物50により反射される散乱光L6 を検出する。即
ち、斜め方向からミラー29に向かって反射された光は
このミラーにより反射され、往路に近接してそれと略平
行な復路、即ち、第1ミラーM1 、放物面鏡27、及び
ポリゴンミラー25を経て第2ミラーM2 、第3ミラー
3 を介し収束レンズ33により光検出器35に収束せ
しめられる。光検出器35は収束レンズ33の焦点距離
に置かれる。その結果、被計測物50からの反射光(信
号光)は光検出器35にビームスポットとして再結像さ
れる。尚、図面において、光は光軸により代表させてい
る。
Mirror 2 arranged near object 50
9 forms an inclination angle β substantially perpendicular to the object to be measured. The mirror 29 is arranged in the vicinity of the illumination beam L 5 to the object to be measured (distance d). Thus, the forward path (illumination beam L 5) and one of the retroreflective system substantially adjacent parallel to and outward is formed by the mirror 29. The mirror 29 detects the scattered light L 6 reflected by the measured object 50. That is, light reflected from the diagonal direction toward the mirror 29 is reflected by this mirror, and is returned in the vicinity of the outward path and substantially parallel thereto, that is, the first mirror M 1 , the parabolic mirror 27, and the polygon mirror 25. Then, the light is converged on the photodetector 35 by the converging lens 33 via the second mirror M 2 and the third mirror M 3 . The photodetector 35 is located at the focal length of the converging lens 33. As a result, the reflected light (signal light) from the measured object 50 is re-imaged on the photodetector 35 as a beam spot. In the drawings, light is represented by an optical axis.

【0021】次に、図4により、本発明に係る被計測物
50の3次元形状(主に、高さ)の測定原理を説明す
る。
Next, the principle of measuring the three-dimensional shape (mainly, height) of the measured object 50 according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0022】図4において、便宜上、被計測物50の低
い部分をA、高い部分をBで示す。図3に示す光学系は
上述の如く再結像系であるから、ビームを走査するにも
拘わらず反射光を一個所(光検出器35)に収束させる
ことが出来る。この時、ミラー29は被計測物50に対
して所定の傾斜角βをなすから被計測物50の高さに応
じて光検出器35上での結像ビームスポットの位置が変
化する。即ち、点Aからの結像ビームスポットはA′
に、また点Bからの結像ビームスポットはB′に夫々結
像する。従って、光検出器35のビームスポットの位置
を計測することにより被計測物50の高さ分布を検出す
ることが出来る。
In FIG. 4, for convenience, a low portion of the object 50 is indicated by A and a high portion thereof is indicated by B. Since the optical system shown in FIG. 3 is a re-imaging system as described above, it is possible to converge the reflected light at one location (the photodetector 35) despite scanning the beam. At this time, since the mirror 29 forms a predetermined inclination angle β with respect to the measured object 50, the position of the imaging beam spot on the photodetector 35 changes according to the height of the measured object 50. That is, the imaging beam spot from point A is A '
And the imaging beam spot from point B forms an image at B '. Therefore, the height distribution of the object 50 can be detected by measuring the position of the beam spot of the photodetector 35.

【0023】光検出器35としては例えば、それ自体公
知の光点位置検出素子PSD(Position Sensitive Det
ector)を用いることが出来る(例えば、浜松ホトニクス
(株)社から市販されている)。これは一種のホトダイ
オードであり、その出力信号から光点の位置と強度が検
出される。応答時間(検出時間)は500nsec. 程度と
極めて短い。従って、信号処理回路45での処理時間を
含めても、1つの光点を1μsec.以下で計測することが
可能となる。尚、PSDは上述の如く、光強度も同時に
検出することが出来るので、被計測物の濃淡情報の計測
も出来る。
As the photodetector 35, for example, a light spot position detecting element PSD (Position Sensitive Det
(for example, commercially available from Hamamatsu Photonics KK). This is a kind of photodiode, and the position and intensity of the light spot are detected from the output signal. The response time (detection time) is as short as about 500 nsec. Therefore, even if the processing time in the signal processing circuit 45 is included, one light spot can be measured in 1 μsec. Or less. As described above, since the PSD can simultaneously detect the light intensity, it is also possible to measure the density information of the measured object.

【0024】図5に示す如く、PSD35の2つの出力
端子の出力電流を夫々Ia ,Ib とすると、光の位置
(本実施例では被計測物50の高さ情報に対応する)と
強度(本実施例では被計測物の濃淡情報に対応する)は
次式によって表される。 光強度= Ia +Ib …(2)
As shown in FIG. 5, assuming that the output currents of the two output terminals of the PSD 35 are Ia and Ib , respectively, the position of the light (corresponding to the height information of the measured object 50 in this embodiment) and the intensity (Corresponding to the density information of the measured object in the present embodiment) is expressed by the following equation. Light intensity = Ia + Ib (2)

【0025】図2に示す如く放物面鏡27の代わりにf
・θレンズ41を用いても同様に本発明を実施できる。
しかしながら、一般に偏向ミラーとの組み合わせにより
走査光学系を実現する場合において、放物面鏡とf・θ
レンズとでは以下の点で放物面鏡の方が有利である。 走査長を長くすること(240mm程度)が容易であ
る。 反射光量がより多く得られる。 反射光量のシェーディング(不均一さ)がより少な
い。
As shown in FIG. 2, instead of the parabolic mirror 27, f
The present invention can be similarly implemented using the θ lens 41.
However, in general, when a scanning optical system is realized by combination with a deflection mirror, a parabolic mirror and f · θ
A parabolic mirror is more advantageous than a lens in the following points. It is easy to increase the scanning length (about 240 mm). More reflected light is obtained. There is less shading (non-uniformity) in the amount of reflected light.

【0026】その反面、f・θレンズを用いる場合には
次のような利点がある。 略完全な直線走査(走査線が湾曲軌跡を描かず直線
となる)を実現することができる。放物面鏡の場合には
一般に走査線は湾曲し、それを補正するためには特別な
補正手段が必要である。 ビームスポット径をより小さく出来る。
On the other hand, the use of an f · θ lens has the following advantages. Substantially perfect linear scanning (a scanning line becomes a straight line without drawing a curved locus) can be realized. In the case of a parabolic mirror, the scanning line is generally curved, and a special correction means is required to correct it. The beam spot diameter can be made smaller.

【0027】以上の実施例において、ミラー29と照射
ビームL5 との距離d及びミラー29の傾斜角βを変え
ることにより被計測物の高さの計測分解能及び計測範囲
を容易に変えることが出来る。
[0027] In the above embodiment, the mirror 29 and the irradiation beam L 5 and easily changed it is possible measurement resolution and measurement range of the height of the object to be measured by changing the distance tilt angle of d and the mirror 29 beta of .

【0028】また、再結像レンズ33の焦点距離及びP
SD35の受光面積を変えることによっても、高さの計
測分解能及び計測範囲を変えることが出来る。
The focal length of the re-imaging lens 33 and P
By changing the light receiving area of the SD 35, the height measurement resolution and the measurement range can be changed.

【0029】図6は図1に示す光学系により検出した被
計測物50の高さ情報(S1 )と濃淡情報(S2 )とに
より被計測物の画像処理システムを示す。尚、上記の実
施例の如く、被計測物の高さを測定する場合には被計測
物は静止させたまま、ビームを一次元に走査するだけで
よいが、被計測物の面の3次元形状を測定する場合には
ステージ51により被計測物を走査方向と直交する方向
(xまたはy方向)に移動させればよい。
FIG. 6 shows an image processing system for an object to be measured based on height information (S 1 ) and density information (S 2 ) of the object 50 detected by the optical system shown in FIG. When the height of the object to be measured is measured as in the above embodiment, it is sufficient to scan the beam one-dimensionally while the object to be measured is stationary. When measuring the shape, the object to be measured may be moved by the stage 51 in a direction (x or y direction) orthogonal to the scanning direction.

【0030】図6において、信号処理回路45は上記
(1),(2)の演算を実行し、高さと明るさのデータ
を得る。このデータをDMA(Direct Memory Access)
回路55により画像メモリ57に直接転送する。画像メ
モリ57に入力されたデータ(S1 ,S2 )の画像をC
PU59で処理し、被計測物50の例えばプリント板
(図示せず)上での実装状態を検査する。尚、本発明に
おいては、信号処理回路45で検出した信号を如何にし
て画像処理するかについては関与するところではないの
で詳細な説明は省略する。
In FIG. 6, the signal processing circuit 45 executes the above operations (1) and (2) to obtain height and brightness data. This data is transferred to DMA (Direct Memory Access)
The data is directly transferred to the image memory 57 by the circuit 55. The image of the data (S 1 , S 2 ) input to the image memory 57 is
The processing is performed by the PU 59, and the mounting state of the measured object 50 on, for example, a printed board (not shown) is inspected. In the present invention, since how to perform image processing on the signal detected by the signal processing circuit 45 is not involved, detailed description thereof is omitted.

【0031】尚、放物面鏡を用いた走査光学系において
は、一般に入射ビームの光軸と反射ビームの光軸とをず
らす必要があるため、両ビーム間に所謂、軸外し角が付
される。さもなければ、反射ビームは入射ビームに一致
してしまい検出出来ない。
In a scanning optical system using a parabolic mirror, since it is generally necessary to shift the optical axis of the incident beam and the optical axis of the reflected beam, a so-called off-axis angle is given between the two beams. You. Otherwise, the reflected beam matches the incident beam and cannot be detected.

【0032】一例として、この軸外し角を10°、放物
面鏡27の焦点距離fを300mmとし、ポリゴンミラー
25は6面でその対面間距離を60mmとした場合、レー
ザ走査長は240mmが得られる。また、有効走査効率は
約40%となる。応答時間500nsec程度のPSD35
を用いれば、1M画素/秒の速度で高さと明るさの計測
が出来る。また、上記の有効走査率を考慮すると、平均
計測速度は0.4M画素/秒となる。
As an example, if the off-axis angle is 10 °, the focal length f of the parabolic mirror 27 is 300 mm, and the polygon mirror 25 has six surfaces and the distance between the facing surfaces is 60 mm, the laser scanning length is 240 mm. can get. The effective scanning efficiency is about 40%. PSD35 with response time of about 500nsec
Is used, height and brightness can be measured at a speed of 1 M pixels / second. In consideration of the effective scanning rate, the average measurement speed is 0.4 M pixels / sec.

【0033】図7は本発明の別の実施例を示す。上述の
実施例(図3)において、被計測物50が大きな光拡散
性を有する物質の場合には、反射光を再結像させた時、
ビームを照射した部分からだけでなく、その周囲からも
反射光が生じる。即ち、PSD35(図5)の出力
a ,Ib には不要な拡散光の信号も含まれてしまう
(この信号出力をΔIとする)。この拡散光ΔIにより
前述の(1)式で求められる光位置の測定値は以下の理
由により正確な値よりも小さくなる。即ち、拡散光を含
まない真の電流値を夫々I1 ,I 2 とすると、実際の測
定値(出力電流)は夫々次式となる。 Ia =I1 +ΔI Ib =I2 +ΔI 従って、測定高さは次式であらわされる。
FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. The above
In the embodiment (FIG. 3), the measured object 50 has a large light diffusion.
When the reflected light is re-imaged,
Not only from the part where the beam was irradiated, but also from the surrounding area
Reflected light occurs. That is, the output of the PSD 35 (FIG. 5)
Ia, IbContains unnecessary diffused light signals
(This signal output is defined as ΔI). With this diffused light ΔI
The measured value of the light position obtained by the above equation (1) is as follows.
For some reasons, it is smaller than the exact value. In other words, diffuse light
The true current value is1, I TwoThen, the actual measurement
The constant values (output currents) are as follows. Ia= I1+ ΔI Ib= ITwo+ ΔI Therefore, the measurement height is expressed by the following equation.

【0034】一方、真の高さは、 で表されるが、この値は明らかに(3)式より小さい
(スポット光が中心に近づく)。
On the other hand, the true height is This value is clearly smaller than the expression (3) (the spot light approaches the center).

【0035】図7に示す実施例はこの誤差を補正するも
のである。即ち、位置を求めようとするスポット光以外
の拡散光の強度を測定し、(Ia +Ib )からこの値を
引いて演算すればよい。
The embodiment shown in FIG. 7 corrects this error. That is, the intensity of the diffused light other than the spot light whose position is to be obtained is measured, and this value may be subtracted from ( Ia + Ib ) to calculate.

【0036】図7はその具体的な光学系を示すもので、
同図において、図3に示す実施例に対し、位置を求めよ
うとするスポット光以外の拡散光(以下、余分拡散光と
呼ぶ)を取り出しそれを検出する光学系が付加されてい
る。この付加光学系は半導体レーザ21から被計測物5
0に至る往路の光路内に配置される偏光ビームスプリッ
タ38と、それを収束する第2のレンズ40(第1のレ
ンズは33)と、第2の光検出器(PSD)35B(前
述のPSDは第1PSD35Aとして示される)とから
構成される。即ち、被計測物50で反射された余分拡散
光はビームの往路と全く同一の光路を辿って逆行し、偏
光ビームスプリッタ38に入射する。偏光ビームスプリ
ッタ38の手前(光源21と反対側)にはλ/4板36
が設けられる。
FIG. 7 shows a specific optical system.
3, an optical system for extracting diffused light (hereinafter referred to as extra diffused light) other than the spot light whose position is to be obtained and detecting the diffused light is added to the embodiment shown in FIG. The additional optical system is connected to the object 5
0, a polarizing beam splitter 38 disposed in the optical path on the outward path, a second lens 40 (first lens 33) for converging the same, and a second photodetector (PSD) 35B (the aforementioned PSD). Are shown as a first PSD 35A). That is, the extra diffused light reflected by the measured object 50 travels exactly the same optical path as the forward path of the beam, travels backward, and enters the polarization beam splitter 38. A λ / 4 plate 36 is provided in front of the polarizing beam splitter 38 (on the side opposite to the light source 21).
Is provided.

【0037】偏光ビームスプリッタ38は例えばP偏光
は通過し、S偏光は反射するようになっており、従っ
て、往路のビーム(直線偏光)をP偏光としておけば、
復路では余分拡散光はλ/4板36にS偏光に変換され
るから、ビームスプリッタ38により反射され、第2レ
ンズ40を介して第2PSD35Bに入射する。こうし
て、余分拡散光を第2PSD35Bに取り出すことが出
来る。
The polarization beam splitter 38 allows, for example, P-polarized light to pass through and reflects S-polarized light. Therefore, if the outward beam (linearly polarized light) is set as P-polarized light,
On the return path, the extra diffused light is converted into S-polarized light by the λ / 4 plate 36, and is reflected by the beam splitter 38 to enter the second PSD 35B via the second lens 40. Thus, extra diffused light can be extracted to the second PSD 35B.

【0038】尚、通常の再結像系と何ら変わりはないの
で、被計測物の高さが変わっても、光点の位置は変わら
ない。
Since there is no difference from the ordinary re-imaging system, the position of the light spot does not change even if the height of the object to be measured changes.

【0039】確実に余分拡散光のみを取り出すために、
第2PSD35Bの手前には被計測物50のビーム照射
点からのビームスポットの点光を遮断するマスク44が
設けられる。マスク44は通常のピンホールとは逆に、
ビームスポットに対応する部分44aのみが例えば不透
明、残りの部分が透明となったプレートでよい。これに
より、余分拡散光のみを第2PSD35Bにより検出す
ることが出来る。
In order to reliably extract only extra diffused light,
In front of the second PSD 35B, there is provided a mask 44 for blocking point light of a beam spot from a beam irradiation point of the object 50 to be measured. The mask 44 is opposite to a normal pinhole,
For example, only the portion 44a corresponding to the beam spot may be an opaque plate, and the remaining portion may be a transparent plate. Thus, only the extra diffused light can be detected by the second PSD 35B.

【0040】尚、PSD35Bで検出する余分拡散光は
第1PSD35Aで検出する拡散光と厳密には等しくな
い(検知している角度が違うので)が、余分拡散光はす
べての方向に均一に反射するため、この相違は実用上全
く問題とならない。
The extra diffused light detected by the PSD 35B is not exactly equal to the diffused light detected by the first PSD 35A (because the angle detected is different), but the extra diffused light is uniformly reflected in all directions. Therefore, this difference poses no practical problem.

【0041】図8は図7に示す実施例の演算回路の一例
を示す。第1PSD35Aに対しては、前述の実施例と
同様に両電流値Ia ,Ib の和と差を減算器63、加算
器65により求める。尚、実際の演算に際しては測定電
流値は電流−電圧変換器61により電圧に変換される
が、便宜上電流値として説明する。第2PSD35Bか
らの出力値ΔIは加算器69により加算される。
FIG. 8 shows an example of the arithmetic circuit of the embodiment shown in FIG. For the first PSD 35A, the sum and difference of the two current values Ia and Ib are obtained by the subtractor 63 and the adder 65 as in the above-described embodiment. In the actual calculation, the measured current value is converted into a voltage by the current-voltage converter 61. However, the current value will be described as a current value for convenience. The output value ΔI from the second PSD 35B is added by the adder 69.

【0042】半導体レーザの光は直線偏向であるから、
照射光(往路)のロスは殆どないが、復路においてはλ
/4板36によりPからSあるいはその逆に偏光される
ので反射光は約50%のロスがある。従って、第2PS
D35Bの出力の和信号を増幅器71で増幅するのが望
ましい。光量ロスが50%の場合、増幅器71のゲイン
を2倍にすることによって補正が出来る。
Since the light of the semiconductor laser is linearly polarized,
There is almost no loss of irradiation light (outgoing path), but λ
Since the light is polarized from P to S or vice versa by the quarter plate 36, the reflected light has a loss of about 50%. Therefore, the second PS
It is desirable that the sum signal of the output of D35B be amplified by the amplifier 71. When the light amount loss is 50%, the correction can be made by doubling the gain of the amplifier 71.

【0043】PSD35Aの和信号から第2PSD35
Bの増幅和信号を減算器73により減算し、除算回路7
5の分母に入力する。一方、除算回路75の分子へは第
1PSD35Aの差信号を入力する。除算回路75では
結局、 の演算が実行されることになり、従って、余分拡散光が
補正される。
From the sum signal of PSD 35A, the second PSD 35
The amplified sum signal of B is subtracted by the subtractor 73, and the divided circuit 7
Input to the denominator of 5. On the other hand, the difference signal of the first PSD 35A is input to the numerator of the division circuit 75. In the division circuit 75, Is performed, and the extra diffused light is corrected.

【0044】図9,10は本発明の別の実施例を示す。
高さ計測用の第1PSD35Aの両側に第2PSD35
B、第3PSD35Cとを設け、この第2、第3PSD
により余分拡散光を検出する。3つのPSDは全く同一
のものでよい。
FIGS. 9 and 10 show another embodiment of the present invention.
The second PSD 35 is provided on both sides of the first PSD 35A for height measurement.
B, a third PSD 35C, and the second and third PSDs 35C.
To detect extra diffused light. The three PSDs may be exactly the same.

【0045】この実施例によれば、光検出器の受光面
積、感度が全く同一であるので正確な余分拡散光の信号
が得られる。拡散光は前述の如く均一に分布すると考え
られるので、第2、第3PSDは同一の余分拡散光を受
光する。
According to this embodiment, since the light receiving area and the sensitivity of the photodetector are exactly the same, an accurate extra diffused light signal can be obtained. Since the diffused light is considered to be uniformly distributed as described above, the second and third PSDs receive the same extra diffused light.

【0046】図10に示す演算回路は図8と基本的に同
一であるが、それとは異なり、第2PSD35Bの和信
号と第3PSD35Cの和信号の平均値を第1PSD3
5Aの和信号から引いている。即ち、第2PSD35B
の和信号と第3PSD35Cの和信号とを和算器68に
より和算し、その和算値を分圧器70により1/2にし
て(平均値)から減算器73に入力する。
The arithmetic circuit shown in FIG. 10 is basically the same as that shown in FIG. 8, but is different from the arithmetic circuit shown in FIG. 8 in that the average value of the sum signal of the second PSD 35B and the sum signal of the third PSD 35C is calculated by the first PSD3.
It is subtracted from the sum signal of 5A. That is, the second PSD 35B
And the sum signal of the third PSD 35C are added by the adder 68, and the sum is halved by the voltage divider 70 (average value) and input to the subtractor 73.

【0047】図10に示す演算方法においては、高さ信
号は次式で表される。但し、Ia ,Ib :Ic ,Id
e ,If は夫々、第1PSD35A、第2PSD35
B、第3PSD35Cの出力を示す。 このように平均値を用いることにより誤差を少なくする
ことが出来る。
In the calculation method shown in FIG. 10, the height signal is represented by the following equation. However, I a, I b: I c, I d:
Ie and If are the first PSD 35A and the second PSD 35, respectively.
B shows the output of the third PSD 35C. The error can be reduced by using the average value in this manner.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上に記載の通り、本発明によれば、被
計測物の3次元形状及び必要に応じて明るさを同時に極
めて短時間で計測することが出来る。また、第2あるい
は第3の光検出器を付設することにより、仮令、被計測
物が光拡散性の物体であっても、その拡散光による誤差
を減少し、正確な計測を行うことが出来る。
As described above, according to the present invention, the three-dimensional shape of the object to be measured and, if necessary, the brightness can be simultaneously measured in a very short time. Further, by providing the second or third photodetector, even if the provisional command and the object to be measured are light diffusing objects, errors due to the diffused light can be reduced and accurate measurement can be performed. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る光学システムの基本原理を説明す
る図。
FIG. 1 is a diagram illustrating a basic principle of an optical system according to the present invention.

【図2】図1における走査光学系の放物面鏡の代わりに
f・θレンズを用いた場合を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a case where an f · θ lens is used instead of the parabolic mirror of the scanning optical system in FIG. 1;

【図3】本発明の光学システムの一実施例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing one embodiment of the optical system of the present invention.

【図4】図3に示す光学系の計測原理を説明する図。FIG. 4 is a view for explaining the measurement principle of the optical system shown in FIG. 3;

【図5】本発明において用いられる光検出器の一例を示
す図。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a photodetector used in the present invention.

【図6】画像処理回路の概要を示すブロック図。FIG. 6 is a block diagram illustrating an outline of an image processing circuit.

【図7】本発明の別の実施例を示す図。FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図8】図7に示す光学系に対する演算回路の一例を示
すブロック図。
FIG. 8 is a block diagram illustrating an example of an arithmetic circuit for the optical system illustrated in FIG. 7;

【図9】図7の更に別の実施例を示す図。FIG. 9 is a view showing still another embodiment of FIG. 7;

【図10】図9に示す光学系に対する演算回路の一例を
示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an example of an arithmetic circuit for the optical system shown in FIG.

【図11】従来の光切断法による高さ測定方法を示す
図。
FIG. 11 is a view showing a height measuring method by a conventional light sectioning method.

【図12】図11の測定法により得られる高さ情報のモ
ニター画像を示す図。
FIG. 12 is a view showing a monitor image of height information obtained by the measurement method of FIG. 11;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21…レーザ光源 23…コリメートレンズ 25…偏向ミラー 27…放物面鏡 29…ミラー 31…走査光学系 35…光検出器(PSD) 50…被計測物 DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Laser light source 23 ... Collimating lens 25 ... Deflection mirror 27 ... Parabolic mirror 29 ... Mirror 31 ... Scanning optical system 35 ... Photodetector (PSD) 50 ... Object to be measured

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 肥塚 哲男 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 平岡 規之 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 塚原 博之 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 須藤 嘉規 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Tetsuo Hitsuka 1015 Uedanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (72) Inventor Noriyuki Hiraoka 1015 Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Fujitsu Limited (72) 72) Inventor Hiroyuki Tsukahara 1015 Uedanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside Fujitsu Limited (72) Inventor Yoshinori Sudo 1015 Uedanaka, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Fujitsu Limited

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザ光源(21)からのレーザビーム
を平行光に変換するコリメートレンズ(23)と、この
レーザ平行光を被計測物(50)に垂直に走査する走査
光学系(31)と、被計測物に対し垂直に近い所定の角
度をなし、走査ビームから所定の距離に配置され、被計
測物からの斜め反射光を受けるミラー(29)と、該ミ
ラーによる被計測物からの反射光を上記走査光学系を介
して再結像する結像レンズ(33)と、該結像レンズに
よる結像ビームスポットを検出する光検出器(35)と
を有し、上記走査光学系(31)はレーザ平行光を所定
方向に偏向する偏向ミラー(25)と、その偏向光を反
射して被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡(2
7)とを有することを特徴とする3次元形状測定用光学
システム。
1. A collimating lens (23) for converting a laser beam from a laser light source (21) into parallel light, and a scanning optical system (31) for vertically scanning the laser parallel light on an object (50). A mirror (29), which is at a predetermined angle close to the object to be measured and is located at a predetermined distance from the scanning beam and receives obliquely reflected light from the object to be measured, and reflection from the object by the mirror An imaging lens (33) for re-imaging light via the scanning optical system; and a photodetector (35) for detecting an image beam spot formed by the imaging lens. ) Is a deflecting mirror (25) for deflecting the laser parallel light in a predetermined direction, and a parabolic mirror (2) for reflecting the deflecting light and vertically entering the beam to the object to be measured.
7) An optical system for measuring a three-dimensional shape, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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