JPS629209A - 物体形状測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、物体の３次元形状を光学的に測定する物体
形状測定装置に関するものである。

〔従来技術〕

第３図は従来の光切断法による物体形状測定装置を示す
概略構成図で，特にレーザ光を測定対象の物体面例えば
試料面上に照射し、この試料面上を走査したレーザスポ
ットの軌跡を検出する光学系を示す。図にあいて、（１
）はレーザ光源；（２）はレーザ光を後述の試料面上に
照射しこれを走査するスキャナー、（３）は走査方向を
平行ｌこするための偏向レンズ、（４）はレーザ光，（
５）は測定対象となる物体例えば試料で、ｅｉｌ）　、
　（！ｔ３は試料その試料面、（６）は試料面５１）　
、　６の上のレーザ軌跡，　（６１）　、１３　、（財
）はレーザ軌跡（６）の各試料面（５１）、リ上におけ
る端点、（７）は試料面６１）　、　６３上のレーザ軌
跡（６）を検出するカメラである。

第４図は、前記の３次元物体形状測定装置に用いられて
いる信号処理回路のブロック図、第５図はその動作を説
明するための各部の波形図である。

なお、これらの図において、第３図と同じ部分にはこれ
と同一の符号を付しである。第４図において、（８）は
試料面５１）　、　（５２上のレーザ軌跡（６）の位置
を検出するＰＳＤ素子で、これはカメラ（７）に収納さ
れでいる６　（８１）　＊　（８カはＰＳＤ素子（８）
の電極、　（Ｉｎ　、幌αつ及び（１３はそれぞれ電極
（８１）　、　（８２に接続された増幅器で、そのうち
増幅器ａＯ）、α力の利得は走査時ｆ’ａｔｔ）におけ
るＰＳＤ素子の出力レベルに合わせ、そして増幅器ａυ
、（Ｉ３の利得は走査時間（Ｉ２）におけるＰＳＤ素子
の゛出力レベルに合わせである。α荀、αＱはそれぞれ
信号選択回路で、レーザ光（４）の走査周期（Ｔｏ）ご
とに増幅器（１０）　、　（Ｌｌ）およびα邊、α四の
各出力端からそれぞれ導入された信号を選択導入する。

またα０はコントロール回路で、上記信号選択回路α荀
α９への入力信号を切り替える制御信号（至）を送り出
す。α力はスキャナー（２）を駆動するスキャナー駆動
回路であって、これはコントロール回路αｅへ接続され
る。α枠は減算器で、両信号選択回路α１」Ｑからの各
出力信号（Ｉｓ）−ＣＩりを減算する。翰は両出力信号
（１１）−（Ｉｚ）を加算する加算器、（イ）は減算器
Ｕ及び加算器（Ｌ’Ｓからの出力信号を除算する除算器
である、また、←υは加算器α１の出力レベルによって
信号の有効性を判定する判定回路、（ＶＨ）　、　（Ｖ
Ｌ）は判定回路ＣＩ）における有効性判定のためにそれ
ぞれ設定された上限レベル信号、下限レベル信号を示す
、０りは除算器１２０の出力信号及び判定回路ＣＩ）の
出力信号を導入し、そして有効データのみを出力するゲ
ート回路である。なお、第５図において、（ハ）はスキ
ャナー（２）を駆動する三角波信号、（Ｔｌ）は一定走
査時間（Ｔ、）中の往路のみの走査時間、罰は試料（５
）からの反射光の強度、（ｔｌ）、（ｔｓ）はそれぞれ
試料面ｅ；＋）　、　（１１３にレーザスポットが走査
される走査時間を示す。

従来例における具体的な動作について以下に説明する。

なお、説明の都合上測足対象としては、第３図に示した
ように、測定面の２面が互いにある角度をもって交差し
てしする物体１例えばＬｍ鋼とする。いま測定対象とな
る試料（５）の２つの試料面ａ１）、　６３がカメラ（
７）に対してなす角度は大きく異なるため、カメラ（７
）の集光効率が試料ｌＩｒ１！５１）と試料面６３とで
は太き（異なる。その結果、カメラ（動向のＰＳＤ素子
（８）へ投影されるレーザ光の強度（第５図の＠）は、
試料面６０上を走査する走査時簿、）では小さくなり、
また試料面６つ上を走査する走査時間（ｔｌ）では大き
くなる。

レーザ光源（１）から放射されたレーザ光は、スキャナ
ー（２）および偏向レンズ（３）を介して試料（５）の
試料ｆｆ１（’＋１）　、　ｌり２上に走査され、そし
て試料（５）の形状にしたがったレーザ軌跡（６）を試
料面Ｃｉ＋）　＃　（５３上に描く。

これら試料面（’＋１）　、　Ｃ）■上のレーザ軌跡（
６）はカメラ（力１こよって受光され、そしてカメラ（
７）内に組み込まれているＰＳＤ素子（８）上に投影さ
れる。ＰＳＤ素子上に試料面上のレーザスポットが投影
されると１！極（８１）　、　（８２からそれぞれＰＳ
Ｄｉ上のスポット位置と電極の距離に比例する電流が出
力される。、ＰＳＤ素子（８）からの出力電流は、レー
ザ光（４）が走査される試料面によって波形Ｃ！ηに示
したように大きく変化する。なお、説明の都合上、２種
類の利得をもった増幅器を構成する場合について説明す
る。

まず、増幅器（１０）　、α力は予め設定された同一の
利得（Ｇ１）、また増幅器住υ、　（１３）は増＠器α
０．θつのそれとは異なった同一の利得（Ｇ２）で、こ
れらはいずれもＰＳＤ素子（８）からの出力信号を増幅
する。ＰＳＤ素子（８）からの出力電流は増幅器ａＥ−
の及びα力。

α国によって電圧変換され、かつそれぞれの増幅器で設
定された利得によって増幅され、信号選択回路（１４）
　、　（１５）に入力される。コントロール回路α０は
、スキャナー駆動回路←ηから出力されたスキャナー［
画信号Ｃ句をもとにして一定査周期（Ｔｏ）ごとに切替
る制御信号（至）を発生する。信号選択回路（１−４）
　、　（Ｌｓは、コントロール回路（１０で発生された
制御信号０ＣｊＩの信号レベルが°高”ならば増幅器（
ｔｃＩ）　、　（１２１の出力信号を、また信号レベル
が°低”ならば増幅器収り。

（１３）の出力信号を選択するというように、−走査周
期ごとに、２つの入力信号を切り替えて出力す也ここで
出力された両信号（Ｉｌ、Ｉｓ）は、減算器αＱ。

加算器翰および除算器（２（Ｎこより最終的には次式の
ように演算される。

（ＩＩ　　Ｉ２）／　ＣＩＩ　＋　Ｉｔ　〕かくして、
上記の演算結果は、ＰＳＤ素子面上のレーザスポットの
位置に１対１１こ対応する信号となる。

次に、加算器員の出力は、判定回路０Ｉ）Ｅこ導入され
る。そして判定回路０１）は、予め設定した上限レベル
α田と下限レベル（ＶＬ）の間のレベルをもつ信号のみ
を演算に適正なレベルにある有効信号と判定し、そして
ゲート回路（イ）へのゲート信号（至）としてこれを送
り出す、ゲート回路（２３ｆｔゲート信号（至）を受け
て、有効と判定された領域のみの除算結果を出力する。

この結果、第１回目の往路走査時間（Ｔ１）では走査時
間（ｔｘ）中の信号が、そして第２回目の往路走査時間
（−）では走査時間（ｔ、）中の信号が有効と判定され
る。その結果、判定対象となる２試料面の全域にわたり
適正なレベルで演算された結果の出力が送り出される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の物体形状測定装置は、以上のように構成されてい
たので、走査領域の全域にわたる一定精度の演算処理結
果を得るには、複数回図の走査時間（したがってこれは
ＮＸ’ｌ’＠）が必要となる。したがって、試料の全表
面に対する有効データを得るには測定時間が長（かかる
という問題があつ九この発明は、上記のような問題点を
解決するためになされたもので、１回の光走査で全走査
領域にわたり一定の精度で物体の形状を測定できる三次
元物体形状測定装置を得ることを目的としたものである
。

〔問題点を解決するための手段〕

この発Ｆ！Ａｌこ係わる物体形状測定装置は、物体へ照
射するレーザ光の強度を一回の走査時間内で多数回周期
的に変化させるレーザ光駆動回路と、ＰＳＤ素子からの
出力信号レベルからデータの有効性を判定する判定回路
と、判定回路の判定によって有効信号のみを散り出すゲ
ート回路を設けたものである。

〔作用〕

この発明では、レーザ駆動回路がレーザの一走査時間の
間に何回にもわたってレーザ光の強度を周期的に変化（
変調）させるとともに、信号処理回路が適正レベルの信
号のみを取り出すことによって、走査全領域にわたり一
定精度の演算処理結果が一走査時間で得られる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。１ｇ
１図（Ａｔおよび（８１は、この発明による物体形状測
定装置に使用される光学駆動回路の構成図および信号処
理回路のブロック図である。図において、（至）はレー
ザ駆動回路を示す。また、第２図はレーザ駆動信号およ
び信号処理回路各部の信号波形図であり、０７）はレー
ザ駆動信号、（至）は入力信号の有効性を判定した判定
信号を示す。なお、これらの図で第３図〜第５図で示し
た部分と同−又は相当部分ｌこはこれと同一の符号を付
しである。

次にその動作をｖＩＦ！Ａする。まず、レーザ駆動回路
（至）は、スキャナー（２）の駆動信号（ハ）の往路走
査時間（Ｔ１）の間に何回となく周期的に変化するレー
ザ［動信号Ｃ３？ｌを発生し、これをレーザ光源（１）
に入力する。そしてレーザ駆動信号０７）によってその
強度が変調されたレーザ光は、スキャナー（２）、偏向
レンズ（３）を経て試料面（５）上ｌこ走査される。次
ｔこ試料面（５）上のレーザ軌跡（６）がカメラ（力の
ＰＳＤ素子（８）上に投影されると、電極（８υ、（８
のからはそれぞれレーザ軌跡（６）と電極Ｇυ、鈴２ま
でめ距離に比例した電流が出力される。ここで両電極（
ｆｉｌ）　、ののからの出力電流は、それぞれ増幅器（
ＩＧ、　（１２１によって増幅されて減算器αυ、加算
器（Ｌ優及び除算器翰によって演算され、このうち、加
算器α優からの出力が判定回路Ｑ１）に入力される。判
定回路Ｑ１）は、予め設定した下限レベル（ＶＬ）ト上
限レベル（ＶＨ）の間のレベルヲモつ信号のみが演算に
適正なレベルにある有効信号（至）と判定され、ゲート
回路（２匂へ判定信号（至）を出力する。ゲート回路Ｈ
は判定信号（至）を受けて、有効と判定された領域（判
定信号（至）の°高”の領域）のみの除算結果を出力す
る。

この結果、−回の往路走査時間（Ｔ１）の間に、２試料
面共に適正なレベルで演算された結果が出力される。

なお、上記の実施例では、試料が２面から構成され、そ
の２面がカメラに対して異なる角度をもって対向し、こ
れｌこよって試料からの反射光の強度が変化するものを
測定対象としたが、これは反対車の変化や表面の粗度の
違い等信の要因によって反射光の強度に差のある試料の
表面に対しても同様の効果が得られることは明らかであ
る。

また、上記実施例では、試料に対する走査光の強度を変
化させることにより、演算回路への入力信号レベルを適
正レベルに調整したが、走査光の強度を一定にし、そし
て増幅器の利得を変化させでも同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、試料面に走査するレ
ーザ光の強度を一走査時間内で多数回にわたって周期的
に変化（変調）させることにより、レーザ光の全走査領
域にわたり適正なレベルでの演算処理結果を一走査時間
で得ることができるので５反射率変化のある試料に対し
ても、均一な精度でかつ測定時間の短い形状測定ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａｌ　、　（Ｂ）はこの発明の一実施例による
物体形状測定装置のレーザ駆動回路の構成図、信号処理
回路のブロック図、第２図はこの発明による信号処理回
路各部の信号を示す波形図、第３図は従来からある光切
断法の光学系を示す概略図、第４図はその信号回路を示
すブロック図、第５図はその動作を示す各部の波形図で
ある。 図中、（１）はレーザ光源、（２）はスキャナー、（８
）はＰＳＤ素子、α屯αυ、（Ｌａ、α騰は増幅器、舖
は減Ｘ器、翰は加算器、ｒ：Ａは除算器、Ｃ２１＞は判
定回路、（ハ）はゲート回路、（１）はレーザ駆動理路
である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反射効率が異なる複数の表面を有する物体の形状
   を測定するために前記複数の表面にレーザ光を走査する
   手段と、走査するレーザ光の強度を各走査周期内に多数
   回にわたつて周期的に変化させる手段と、前記表面上の
   レーザ光の走査像が結像されるＰＳＤ素子と、該ＰＳＤ
   素子からの出力を一定利得の増幅器で増幅した後これが
   所定の範囲内に入つたときのデータを有効と判定する判
   定手段とを備えたことを特徴とする物体形状測定装置。
2. （２）走査するレーザ光の強度を一定にしＰＳＤ素子か
   らの出力を各走査内で周期的に利得を変化させて増幅す
   る増幅手段を備えたことを特徴とする前記特許請求の範
   囲第１項記載の物体形状測定装置。