KR20230101799A - 형상 측정 시스템 - Google Patents

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KR20230101799A
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요시타카 미야타니
다츠지 아시타니
류타 오카모토
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

측정면에서의 요철 차가 큰 피측정물이어도, 정확한 3차원 정보를 취득할 수 있는 형상 측정 시스템을 제공한다. 본 개시의 형상 측정 시스템은, 단일의 광원부와, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 2개의 수광부와, 신호 처리부를 구비하고, 광원부는, 광원, 파형 제어 렌즈, 이 파형 제어 렌즈를 투과한 측정광을 측정 대상의 특정 방향으로 소인하는 스캔 기구를 가짐과 함께, 수광부는, 광원부로부터의 측정광 중 측정 대상에서 반사한 반사광이 입사하는 수광 렌즈, 수광 소자인 비동기형의 촬상 장치인 EVS, 이 EVS로부터의 출력 데이터에 기초하여 이벤트를 검출해서 이벤트 데이터를 출력하는 이벤트 발행부, 이벤트 데이터를 신호 처리부로 출력하는 송신부를 갖고, 신호 처리부는, 2차 반사광의 입사에 기인하는 불필요 신호를 제거하는 불필요 신호 제거부, 측정 대상의 3차원 형상을 산출하는 3차원 연산부를 갖도록 구성하였다.

Description

형상 측정 시스템
본 개시는, 측정 대상의 형상을 3차원적으로 측정하는 형상 측정 시스템에 관한 것이다.
수직 동기 신호 등의 동기 신호에 동기하여 촬상을 행하는 주사형(동기형)의 촬상 장치에 대하여 EVS(Event-based Vision Sensor)라고 불리는 비주사형(비동기형)의 촬상 장치가 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 비주사형의 촬상 장치는, 입사광을 광전 변환하는 화소의 휘도 변화량이 소정의 임계값을 초과한 것을 이벤트로서 검출할 수 있다.
비주사형의 촬상 장치의 용도의 하나로서, 예를 들어 광 절단법을 이용한 형상 측정 장치를 들 수 있다. 광 절단법은, 특히 공장 등의 검사 공정에 있어서, 측정 대상(이하, 이것을 "측정물"이라고 함)의 형상 이상 검지에 이용되는 방법이다. 이 광 절단법을 이용한 형상 측정에서는, 투광부로부터 라인형의 광을 측정물에 조사하고, 그 조사광에 기초하는 측정물로부터의 반사광을 비주사형의 촬상 장치로 수광했을 때의 촬상 단면 형상으로부터 측정물(물체)의 폭이나 높이 등의 계측이 행해진다.
일본 특허 공개 제2019-134271호 공보
상술한 바와 같이, 비주사형의 촬상 장치의 용도의 하나인, 예를 들어 광 절단법을 이용한 형상 측정 장치에서는, 투광부로부터의 조사광에 기초하는 측정물로부터의 반사광을 수광하여 형상 측정을 행하고 있다. 그러나, 이 경우, 외란광이나 투광부로부터의 조사광의 반사 상태 등에 의해 촬상 형상이 본래의 형상과 달리, 정확한 형상 측정을 실시할 수 없는 경우가 있다.
예를 들어 어떤 측정 지점에서 반사하여 수광부를 향하는 반사광(정규 반사광)을 도입할 때, 정규 반사광 이외의 반사광(2차 반사광)이 수광부로 함께 들어갈 가능성이 있다. 이 경우, 특히 요철 차가 큰 측정물 등에서는, 2차 반사광과 정규 반사광에서 진행하는 광로나 각도가 크게 다르고, 다른 복수의 검출값이 얻어져버려 정확한 형상 측정을 실시할 수 없을 우려가 있다.
본 개시는, 측정면에서의 요철 차가 큰 측정물이어도, 정확한 3차원 정보를 취득하는 것을 목적으로 한다.
본 개시는, 상기 목적을 달성하기 위해 이루어진 것으로, 그 제1 양태는, 측정광을 측정 대상으로 출사하는 광원부와, 상기 측정 대상으로부터 반사되는 상기 측정광의 반사광을 수광하는 수광부와, 상기 측정 대상에서 반사하고 상기 수광부로 입사한 상기 반사광으로부터 발생하는 이벤트 데이터에 의해, 상기 측정 대상의 3차원 형상을 산출하는 3차원 형상 연산부, 및 상기 반사광 이외의 불필요한 광이 외부로부터 상기 수광부로 입사하여 생성되는 불필요 신호를 제거하는 불필요 신호 제거부를 갖는 신호 처리부와, 상기 광원부 또는 상기 측정 대상을 이동시킴으로써, 상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 투광하는 상기 측정광으로 소인하여 상기 측정 대상을 주사하는 스캔 기구를 구비하는, 형상 측정 시스템이다.
이 제1 양태에 있어서, 상기 스캔 기구는, 상기 광원부에 마련되어 있고, 상기 광원부는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광의 파형 제어를 행하는 파형 제어 렌즈를 구비함과 함께,
상기 수광부는, 수광 렌즈와, 상기 반사광 중 상기 수광 렌즈를 투과하는 반사광의 시간적인 변화를 파악하여 이벤트 신호를 출력하는 비동기형의 촬상 소자인 EVS(Event-based Vision Sensor)와, 상기 EVS로부터의 출력 데이터에 기초하여 이벤트를 검출하여 이벤트 데이터를 출력하는 이벤트 발행부와, 상기 이벤트 데이터를 상기 신호 처리부로 출력하는 송신부를 구비해도 된다.
이 제1 양태에 있어서, 상기 광원부는 단일이며,
상기 수광부로서, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 제1 수광부 및 제2 수광부를 구비해도 된다.
또한, 본 개시의 제1 양태에 있어서, 상기 광원부로서, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 제1 광원부 및 제2 광원부를 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 신호 처리부는, 화소열마다 시분할한 시간 간격으로 제어 신호를 상기 각 스캔 기구로 출력하는 제어 신호 송신부를 구비해도 된다.
또한, 본 개시의 제1 양태에 있어서, 상기 광원부로서, 제1 파장의 광을 출사하는 제1 광원을 구비한 제1 광원부와, 제2 파장의 광을 출사하는 제2 광원을 구비한 제2 광원부를 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 EVS는, 화소열 단위로 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 2분할된 2분할 영역으로 구성함과 함께,
상기 제1 분할 영역은, 상기 광원으로부터 출사되는 서로 다른 2종류의 파장의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사되는 제1 파장의 광과 제2 파장의 반사광 중, 제1 파장의 상기 반사광을 선택적으로 투과시키는 제1 파장 투과 특성을 갖는 제1 필터를 구비함과 함께,
상기 제2 분할 영역은, 상기 반사광 중, 상기 제2 파장의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 파장 투과성을 갖는 제2 필터를 구비한 것이어도 된다.
또한, 본 개시의 제1 양태에 있어서, 상기 광원부로서, 상기 제1 광원을 구비한 제1 광원부와, 제2 광원을 구비한 제2 광원부를 구비하고,
상기 제1 광원부는, 상기 제1 광원의 출사광으로부터 제1 편광면을 갖는 제1 측정광을 생성하는 제1 광학 소자를 구비하고,
상기 제2 광원부는, 상기 제2 광원의 출사광으로부터 제2 편광면을 갖는 제2 측정광을 생성하는 제2 광학 소자를 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 EVS는, 화소열마다 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 2분할되고,
상기 제1 분할 영역은, 상기 제1 측정광 및 상기 제2 측정광의 2종류의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사하고 상기 수광부에 각각 입사하는, 상기 제1 편광면을 갖는 제1 반사광 및 상기 제2 편광면을 갖는 제2 반사광 중, 상기 제1 반사광을 선택적으로 투과시키는 제1 필름을 구비하고,
상기 제2 분할 영역은, 상기 제2 반사광을 선택적으로 투과시키는 제2 필름을 구비해도 된다.
또한, 이 제1 양태에 있어서, 상기 제1 편광면은, 세로 방향으로 진동하는 직선 편광이며,
상기 제2 편광면은, 가로 방향으로 진동하는 직선 편광이어도 된다.
또한, 본 개시의 제1 양태에 있어서, 상기 광원부는 단일이며, 상기 광원부 내의 광원에는, 상기 광원으로부터의 광을, 적어도 3종류의 파장대로 분할하는 분할 수단을 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 EVS는, 화소열 단위로 제1 분할 영역 내지 제3 분할 영역으로 3분할된 3분할 영역으로 구성하고,
상기 제1 분할 영역에는, 상기 광원으로부터 출사되는 서로 다른 3종류의 파장대의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제1 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제1 필터를 구비하고,
상기 제2 분할 영역에는, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제2 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제2 필터를 구비하고,
상기 제3 분할 영역에는, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제3 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제3 필터를 구비해도 된다.
또한, 이 양태에 있어서, 상기 분할 수단은, 상기 광원으로부터의 백색광을 3종류의 파장대의 광으로 분할하는 프리즘으로 구성함과 함께,
상기 3종류의 파장대의 광은 적색 파장대의 광과, 녹색 파장대의 광과, 청색 파장대의 광이어도 된다.
또한, 이 제1 양태에 있어서, 상기 EVS는, 상기 반사광의 시간적 변화에 기초하는 신호 전압과 임계값 전압을 비교하고, 임계값 전압보다도 작거나 혹은 큰 것을 판정함으로써 이벤트 신호를 출력하는 것이어도 된다.
본 개시의 형상 측정 시스템에 의하면, 복수의 광로를 통해 복수의 독립된 광학적 데이터를 최단 광로마다 도입하는 구성으로 되어 있다. 따라서, 각 광로 로부터 도입한 반사광 중(최단 광로를 진행함) 정규 반사광으로부터의 데이터는, 어느 광로를 찾아갔다고 해도, 동일 반사 지점에서 반사한 정규 반사광이면, 동일값이다. 즉, 측정물에 있어서의 동일 지점에서의 물리적인 형상(예를 들어 높이)에 대해서는, 그 얻어지는 형상(예를 들어 높이)이 일의로(일의적으로) 정해져 있다(동일 위치에서의 형상은 단 하나임). 따라서, 동일 지점에서의 높이의 값은, 어느 최단 광로(루트)를 경유한 반사광이어도, 정규 반사광이면, 그 값이 다른 경우는 없다. 따라서, 반드시 존재할 동일 데이터값의 페어를 찾아내면, 그 데이터가 정규 반사광으로부터 얻어진 데이터라는 점에서, 어느 데이터가 측정면에 관한 참의 데이터인지를 확실하고도 또한 정확하게 검출할 수 있다. 즉, 측정물의 측정면에서 반사·산란하는 반사광 중의 불필요한 2차 반사광이 수광부로 들어가 있더라도, 이 2차 반사광에 관한 데이터에 의한 오측거의 발생을 억제할 수 있다. 게다가, 본 개시의 형상 측정 시스템에 의하면, 수광 소자에는, 상세는 후술하지만, 비동기형의 촬상 장치인 EVS(Event-based Vision Sensor)를 사용하고 있으므로, 고속이고도 또한 정확한 형상 측정을 실현할 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 형상 측정 시스템의 구성의 개략을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 개시의 제2 실시 형태에 따른 형상 측정 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 본 개시의 제2 실시 형태에 따른 제1 구성예를 나타내는 촬상 장치를 나타내는 구성 블록도이다.
도 4는 본 개시의 제1 구성예의 수광부에 있어서의 각 화소열(화소 어레이)에서의 출력 신호의 시간적인 처리 동작을 나타내는 출력 도이다.
도 5는 본 개시의 제1 구성예에 따른 촬상 장치의 촬상부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 개시의 제1 구성예에 따른 촬상부에 있어서의 화소 어레이부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 개시의 제1 구성예에 따른 화소의 회로 구성의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 8은 본 개시의 제1 구성예에 따른 어드레스 이벤트 검출부의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 개시의 제1 구성예에 따른 측정물에서의 입사광 및 반사광의 광로를 나타내는 원리도이다.
도 10의 A는 본 개시의 제1 구성예에 따른 측정물에 대한 슬릿광의 주사 방향을 나타내는 설명도, B는 측정물의 높이에 관한 측정값의 검출 원리를 나타내는 설명도이다.
도 11은 본 개시의 제1 구성예에 따른 측정물의 높이를 연산하기 위한 연산식을 도출시키기 위한 설명도이다.
도 12는 본 개시의 제1 구성예에 따른 반사광 이벤트의 생성 분포를 나타내는 개념도이다.
도 13은 본 개시의 제2 구성예에 따른 형상 측정 시스템을 나타내는 구성 블록도이다.
도 14는 본 개시의 제2 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 광원부 및 수광부의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 15는 본 개시의 제3 구성예에 따른 형상 측정 시스템을 나타내는 구성 블록도이다.
도 16은 본 개시의 제3 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 EVS의 각 화소열을 나타내는 구성 블록도이다.
도 17은 본 개시의 제4 구성예에 따른 형상 측정 시스템을 나타내는 구성 블록도이다.
도 18의 A 및 B는, 본 개시의 제4 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 제1 편광자 및 제2 편광자의 기능을 나타내는 광로도이다.
도 19는 본 개시의 제4 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 EVS의 화소열을 나타내는 구성도이다.
도 20은 본 개시의 제5 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 21은 본 개시의 제5 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 광원부에 있어서의, 입사광인 RGB로 파장 3분할된 각 슬릿광의 투광 상태를 나타내는 설명도이다.
도 22는 본 개시의 제5 구성예에 따른 형상 측정 시스템의 수광부에 있어서의, 반사광의 파장 3분할된 RGB의 입사 상태를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 개시의 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 「실시 형태」라고 기술함)에 대하여 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 본 개시의 기술은 각 실시 형태의 것으로 한정되는 것은 아니라, 각 실시 형태에 있어서의 다양한 수치나 재료 등은 예시이다. 이하의 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 갖는 요소에는 동일 부호를 사용하기로 하고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 본 개시의 제1 실시 형태에 따른 형상 측정 시스템
2. 본 개시의 제2 실시 형태에 따른 형상 측정 시스템
2-1. 제1 구성예…단일 광원+복수 수광부
2-2. 제2 구성예…복수 광원+단일 수광부(광원 시분할 제어)
2-3. 제3 구성예…복수 광원+단일 수광부(파장 분할 제어)
2-4. 제4 구성예…복수 광원+단일 수광부(편광 전환 제어)
2-5. 제5 구성예…단일 광원+단일 수광부(프리즘으로 분광)
3. 본 개시가 취할 수 있는 구성
<1. 제1 실시 형태에 따른 형상 측정 시스템>
본 개시의 제1 실시 형태에 따른 형상 측정 시스템을 나타내는 모식도를 도 1에 나타내고, 본 개시의 형상 측정 시스템의 개략 구성을 나타내는 블록도를 도 2에 나타내었다. 도 1 이하의 도면에 있어서, 측정 대상인 측정물의 깊이 방향, 스캔 및 이동 방향, 측정물의 높이 방향을 명확하게 하기 위해서, 각각, X 방향, Y 방향, Z 방향으로 한, 서로 직교하는 3차원 데카르트 좌표를 설정하고 있다. 또한, 본 개시에서는 왼손 좌표계를 채용하고 있다. 그 원점은 특히 측정물의 네 코너의 하나에 특정한다.
[형상 측정 시스템의 구성]
본 개시의 형상 측정 시스템(1)은 대략 구성으로서, 스테이지(2)와, 이 스테이지(2)에 정치 상태에서 탑재된 측정물(100)의 측정면(100A)을 3차원 측정하는 형상 측정 장치(10)와, 이 형상 측정 장치(10)를 Y 방향으로 간헐적으로 이동하는 스캔 기구를 구성하는 이동 기구(3)와, 이 이동 기구(3)를 제어하는 제어부(4)와, 형상 측정 장치(10)에서의 신호 처리를 행하는 신호 처리부(이하, 「신호 처리 유닛」이라고 함)(13)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태의 형상 측정 장치(10)는 도 2에 도시한 바와 같이, 광원부(11) 및 수광부(12)를 구비하고 있고, 헤드(H) 내부에 수용되어 있다.
본 개시의 형상 측정 시스템(1)에서는, EVS(Event-based Vision Sensor)라고 불리는 비주사형(이하, 「비동기형」이라고 함)의 촬상 방식이 이용된다. 이것에 관한 상세는 후술한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 복수의 측정물(100)에 대하여 좌측의 것으로부터 우측의 것으로, 순차 연속하여 형상 측정 동작을 행하여 간다. 이 때문에 이동 기구(3)를 마련하고 있지만, 단일의 측정물(100)만에 대하여 형상 측정을 행하는 경우에는, 물론, 이동 기구(3)는 필요없다.
본 실시 형태의 스테이지(2)는 평면에서 볼 때 직사각 형상의 등후 평판이며, 종횡의 2변이 X 방향 및 Y 방향에 각각 일치하도록 정렬되어 있다. 본 실시 형태의 스테이지(2)는 도시 외의 기대 등에 정치된다.
이동 기구(3)는 도 1 및 2에 도시한 바와 같이, 후술하는 이동 제어부(42)의 제어에 의해, 측정물(100)의 측정에 맞춰서, 형상 측정 장치(10)를 수용한 헤드(H)를 고속으로 Y 방향으로 간헐 이동시킨다. 이에 의해, 각 측정물(100)의 측정을, 순차 행하여 간다. 이 때문에 이동 기구(3)에는, 예를 들어 로봇을 사용해도 된다. 또한, 랙 피니언, 볼 나사, 무단 벨트, 와이어, 그 밖의 적절한 수단이어도 된다. 또한, 본 실시 형태의 이동 기구(3)에서는, 헤드(H)를 Y 방향으로 간헐 이동시키는 구성으로 하였지만, 본 개시에서는, 특별히 이것으로 한정되는 일은 없다. 즉, 헤드(H)가 아니라, 스테이지(2), 또는 기대 중 어느 것이 이동하는 구성이어도 된다. 또한, 본 개시의 이동 기구는, 예를 들어 제2 실시 형태와 같이, 헤드(H) 내부의 광원부측을 이동시키도록 하거나, 광원부 내부의 광원만을 이동시키는 것이어도 된다.
제어부(4)는 시스템 제어부(41)와, 이동 제어부(42)를 구비한다. 시스템 제어부(41)는 소정의 타이밍에, 이동 제어부(42) 및 형상 측정 장치(10)를 제어한다. 이동 제어부(42)는 형상 측정 장치(10)의 이동 동작을 간헐적으로 행하는 이동 기구(3)를 제어한다. 제어부(4)는 Y 방향을 향해 측정물(100)의 시점으로부터 종점까지, 고속으로 헤드(H)를 이동시킬 수 있다.
신호 처리 유닛(13)은 형상 측정 장치(10)의 수광부(12)에서 얻은 "이벤트 데이터"에 기초하여 고속으로 소정의 신호 처리를 행함으로써, 측정물(100)의 3차원 형상을 취득해 간다. 본 실시 형태의 신호 처리 유닛(13)은 도 2에 도시한 바와 같이, 제어 신호 송신부(131)와, 불필요 신호 제거부(132)와, 3차원 형상 연산부(이하, 「3D 연산부」라고 함)(133)와, 메모리(134)를 구비한다. 또한, "이벤트 데이터"를 포함하는 상기 각 요소의 상세에 대해서는, 후술한다.
측정물(100)은 특별히 대상물이 한정되는 것은 아니지만, 본 개시의 제1 실시 형태에서는, 예를 들어 저면이 직사각 형상이며, 측정면인 상면에 불규칙한 요철이 형성되어 있다. 본 개시의 형상 측정 장치(10)에서는, 요철 차가 큰 경우에도, 상술한 EVS를 사용함으로써 고속으로, 게다가 후술하는 연산식을 이용함으로써 정밀도 높게, 형상을 검출·측정할 수 있다.
[제1 실시 형태의 작용, 효과]
본 개시의 형상 측정 시스템(1)에 관한 형상 측정 장치(10)는 측정물(100)의 길이(Y), 깊이(X), 높이(Z)에 대한 형상을 3차원 측정한다. 본 개시의 형상 측정의 수단으로서, 헤드(H) 내의 광원부(11)에서 생성된 광폭 띠형을 이루고, 또는 테이퍼형으로 넓어져 부채형을 이루고, 슬릿광(이하, 이것을 "측정광"이라고 칭하는 경우가 있음)을 사용한다. 또한, 이 슬릿광의 형상에 대해서는 상기한 것으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 측정물이나 측정면의 형상 등에 대응하고, 형상 측정에 효과적인 특유의 형상이어도 된다.
형상 측정 장치(10)는 측정물(100)의 수직 절단면(X-Z면) 방향에 대하여, 슬릿광을 축차 투광해 감으로써, 1화소열(칼럼) 단위로, 순차, 형상 측정을 행하여 간다. 또한, 상기 슬릿광의 X-Z 방향으로의 투광 동작과 동시에, 도 3에 도시한 광원부(11) 내의 스캔 기구(113)가 작동하고, Y(가로) 방향을 향해 좌측으로부터 우측으로 스캔 동작을 행한다. 즉, Y(가로) 방향의 시단으로부터 종단에 이르기까지, 일련의 소인(sweep) 동작을 행한다. 이와 같이 하여, 상술한 슬릿광이 Y 방향으로 투광·소인되고, 3차원적인 형상 측정을 행하여 간다.
본 개시에 따른 형상 측정 시스템(1)에서는, 도시하지 않은 광원부 내의 광원으로부터 측정물(100)을 향하는 투광(또는 왕로)측에서의 측정광이, 측정물(100)의 동일 측정 포인트(측정 위치)에서 산란·반사 후에, 도시하지 않은 수광부를 향하는 반사(또는 귀로)측에서의 측정광에는, 서로 다른 최단 광로를 찾아가는, 적어도 2종류의 반사광(이것이 후술하는 정규 반사광)을 사용할 수 있다. 또한, 이 반사광을 사용한 구체적인 형상 측정 방법에 관해서는, 후술하는 제2 실시 형태에서, 그 정성적 원리와 함께 상세히 설명하기로 한다.
이상에 대해서는, 형상 측정 장치(10)의 레이저광 투광에 의한 측정물(100)마다의 형상 측정 동작이다. 본 실시 형태에서는, 이 일련의 형상 측정 동작을 각 측정물(100)에 대하여 순차 행하여 간다. 이 때문에, 이동 제어부(42)는 이동 기구(3)의 간헐 동작을, 일정 시간 간격으로 제어한다. 이에 의해, 하나의 측정물에서의 측정 동작이 완료되면, 형상 측정 장치(10)의 헤드(H)를 다음 측정물까지, Y 방향으로 1스텝 이동시킨다. 이와 같은 간헐 동작을, 헤드(H)에 대하여 매회 반복함으로써, 각 측정물(100)의 측정면(100A)의 3차원(이하, 이것을 "3D"라고 함) 형상을 EVS로 연속적으로 취득할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는, EVS라고 불리는 비동기형의 촬상 장치를 사용하고 있고, 이 EVS를 사용함으로써 종래의 센서와는 달리, 시간적으로 고속으로의 형상 측정을 행할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.
<2. 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 관한 형상 측정 장치>
(2-1. 제1 구성예)
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 구비한 형상 측정 장치에 대하여, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 3은, 본 개시에 따른 제2 실시 형태의 제1 양태(이하, 「제1 구성예」라고 함)를 나타내는 것이다. 즉, 이 도 3에서는, 제1 구성예에 따른 형상 측정 장치(10A), 특히 이 형상 측정 장치(10A)에 구비한, 광원부(11), 수광부(12) 및 신호 처리 유닛(13)의 구성을 나타낸다. 또한, 도 1 및 도 2와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명을 피한다.
본 개시의 형상 측정 장치(10A)는, 앞의 제1 실시 형태의 형상 측정 시스템(1)에서 사용한 것과 동일 구성이어도 되고, 이와는 다른 구성이어도 된다. 이 제1 구성예의 형상 측정 장치(10A)는 단일의 광원부(11)와, 복수의 수광부(12)를 구비한 타입의 것으로 구성되어 있다.
본 구성예의 형상 측정 장치(10A)는 상술한 바와 같이, 단일의 광원부(11)와, 제1 수광부(12A) 및 제2 수광부(12B)를 포함하는 2개의 수광부(12) 외에, 신호 처리 유닛(13)을 헤드(H)에 수용하고 있다. 또한, 본 개시의 헤드(H)에는, 광원부(11) 및 수광부(12)만을 수용하고, 신호 처리 유닛(13)은 별도로 설치하여, 무선 통신이나 적외선 통신 등을 이용하여 데이터의 수수를 행하는 구성으로 해도 된다.
제1 수광부(12A)와 제2 수광부(12B)의 2개의 수광부(12)는 가능한 한 거리를 이격하여 이격시켜 두는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이 제1 구성예의 형상 측정 장치(10A)는 광원부(11)를 중심으로 하여, 가로(Y) 방향에 대하여 서로 반대 위치에 설치할 수 있지만, 특히 광원부(11)를 중심으로 한 대칭적인 배치가 아니어도 된다.
[형상 측정 장치의 구성]
본 구성예의 광원부(11)(이하, 「광원부(11A)」라고 함)는 상술한 바와 같이, 단일의 것으로 구성되어 있고, 구체적으로는, 도 3에 도시한 바와 같이, 광원(111A)과, 파형 제어 렌즈(112)와, 스캔 기구(113)를 구비한다. 또한, 본 구성예에 있어서의 이하의 설명에서는, 설명을 간단하게 행하기 위해서, 광원부(11A)의 각 요소 중, 특히 광원(111A)에 대해서는 "A"를 생략하고 설명한다.
광원(111)에는, 반도체 레이저(이하, 이것을 "반도체 레이저(111)"라고 함)를 사용할 수 있다. 본 실시 형태의 반도체 레이저(111)는 예를 들어 청색 파장(λb)의 레이저광을 연속 발진할 수 있다. 제1 구성예의 측정물(100)의 형상 측정 수단에는, 이 청색광을 측정광으로서 사용한다. 또한, 본 개시의 광원부에서 사용하는 레이저광은, 특히 이 청색광으로 한정되지는 않는다. 본 구성예의 광원에는, 고휘도의 광을 출사하는 것과 동시에, 어느 정도의 지향성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 사용하는 조명광은, 레이저광과 같은 코히어런트일 필요는 없지만, 색 수차나 그 밖의 수차 등이 적은 것이 바람직하다. 또한, 광원으로서 레이저를 사용하는 경우에는, 단면 발광형(Edge Emitting Laser: EEL)이어도 되고, 수직 발광형(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSL)이어도 된다.
파형 제어 렌즈(112)에는, 파형 성형 렌즈(이하, 「파형 성형 렌즈」라고 함)를 사용하고 있다. 이 파형 성형 렌즈는, 출사하는 레이저광을 슬릿형으로 파형 가공시키기 위한 광학 소자이다. 본 구성예의 파형 형성 렌즈에서는, 실린드리컬 렌즈(이하, 이것을 "실린드리컬 렌즈(112)"라고 함)를 사용하고 있다. 구체적으로는, 반도체 레이저(111)로부터, 예를 들어 빔형으로 발진·출사하는 청색의 레이저광 파형 형상을, 진행 방향을 향해 얇고 폭이 넓은 직사각형(띠형)의 광으로, 혹은 진행 방향을 향해 얇은 부채 형상을 이루는 광으로(이하, 이들을 "라인 슬릿광" 또는 단순히 "슬릿광"이라고 함), 파형 성형(가공)한다. 본 구성예의 라인 슬릿광은, 측정물(100)의 깊이(X) 방향을 따라 미세 폭 세로 길이를 갖는 화소(칼럼: COLUMN)열의 전체에 걸쳐서, 도 1에 도시한 바와 같은 슬릿광이 시간적으로 동시에 조사된다.
스캔 기구(113)는 실린드리컬 렌즈(112)로 파형이 슬릿형으로 형성된 레이저광을 시간적인 경과와 함께 Y(행: ROW) 방향으로 송출하고, 소인 주사를 행한다. 이와 같이, 스캔 기구(113)는 레이저광을 Y 방향으로 순차 송출시킴으로써, 측정물(100)의 측정면(100A)의 전체면을 3차원적으로 형상 측정할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성예에서는, 정치한 측정물(100)에 대하여 형상 측정 장치(10A) 측에서 스캔 주사시켜서 측정물(100)의 3차원 형상을 측정시키는 타입이다. 본 개시에서는, 형상 측정 장치(10A) 측을 정치시킴과 함께 측정물(100) 측을 적당한 반송 수단으로 이동·주사시켜서 측정시키는 타입이어도 된다. 단, 후자의 타입에서는, 후술하는 촬상 장치(122)의 특성상, 움직인 것이 출현되면 이것을 파악하여 신호 출력한다는 점에서, 예를 들어 조명광을 떨어뜨려서 컴컴한 환경 중에서 형상 측정하는, 레이저 광원 파장에 적외 영역을 채용하고, 또한 촬상 장치(122)의 촬상 소자 전에 동파장대의 광학 필터를 장착시키는 등의 배려가 필요해진다.
본 구성예의 수광부(12)는 도 3에 도시한 바와 같이, 각각, 수광 렌즈(121)와, 촬상 장치(122)와, 이벤트 발행부(123)와, 송신부(124)를 구비하고 있다. 또한, 이 제1 구성예에서는, 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 수광부(12)에 대하여, 편의상, 전단 부분을 "수광 기능부", 후단 부분을 "검출 기능부"로 하여 설명한다.
본 개시의 본 구성예에서는, 제1 수광부(12A)에는, 구체적으로는, 제1 수광 렌즈(121A)와, 제1 촬상 장치(122A)와, 제1 이벤트 발행부(123A)와, 제1 송신부(124A)를 구비하고 있다. 한편, 제2 수광부(12B)에는, 구체적으로는, 제2 수광 렌즈(121B)와, 제2 촬상 장치(122B)와, 제2 이벤트 발행부(123B)와, 제2 송신부(124B)를 구비하고 있다. 또한, 이하의 본 구성예에서는, 설명을 간단하게 하기 위해서, 상기 각 구성 요소의 호칭에 부가시켜서 어떤 부호에 대해서는, 3자리의 숫자만 표기하고, "A" 및 "B"는 생략하기로 한다.
전단 부분인 수광 기능부는, 광원부(11A)로부터 투광되는 라인 슬릿광의 측정면(100A)에서의 반사광(산란광)을 수광한다. 본 실시 형태의 수광 기능부는, 수광 렌즈(121)와, 촬상 장치(122)를 포함하는 광학 소자나 각종 회로 등을 포함한, 후술하는 촬상부(21)를 구비할 수 있다. 이에 의해, 수광 기능부는, 측정물(100)을 화소열 단위로 측정한, 측정물(100)의 형상에 관한 휘도(의 변화) 데이터 등을 취득한다. 그리고, 이제부터 외형 형상 및 이것에 연결한 위치 정보 등의 정보 신호, 즉 후술하는 이벤트 데이터를 검출하기 위한 신호를, 후단 부분의 검출 기능부로 출력한다. 또한, 촬상부(21)에 대해서는, 후에 상세히 설명한다.
수광 기능부 중, 수광 렌즈(121)는 입사하는 라인 슬릿광을 촬상 장치(122)에 결상시킨다. 본 개시의 수광 렌즈는, 단순히 반사광을 촬상 장치(122)에 결상시킨다.
촬상 장치(122)는 종래와는 다른 방식의 센서로서, 전술한 EVS(Event-based Vision Sensor)를 사용하고 있다. 이 EVS는, 비동기형의 촬상 장치를 포함하고, 측정물(100)에서 반사되어 입사하는 광을 광전 변환하는 화소가 행렬형으로 2차원 배치된다. 이 EVS는, 2차원 격자형으로 복수의 화소 회로가 배열된다. 깊이(X) 방향으로 배열된 화소 회로의 집합을 "행(Row)", 이 행에 직교하는 가로(Y) 방향으로 배열된 화소 회로의 집합을 "열(Column)"이라 한다. 각 EVS에서는, 화소열(칼럼)마다의 화상 정보에 따라서 수광하는 반사광 β1, β2에 기초하여, 광전 변환 신호를 각 화소로 도입한다. 입력한 데이터는 이벤트 발행부(123)로 출력한다.
한편, 검출 기능부에서는, 신호 처리를 행한다. 이에 의해, 입사광으로부터의 신호를 이벤트로서 도입한다. EVS는, 각 화소마다 휘도 변화가 발생한 화소 정보만을, 화소 단위로 출력하기 때문에, 측정 대상물의 색이나 반사율, 또한 환경광의 영향을 받지 않고 안정적으로 신호 출력을 행할 수 있다. 검출 기능부는, 이벤트 발행부(123)와, 송신부(124)를 구비할 수 있다.
이벤트 발행부(123)는 검출 기능부의 일부를 구성한다. 이 이벤트 발행부(123)는 제어 신호 송신부(131)로부터의 동기 신호를 입력함과 함께, 이것과 동기하여 EVS(122)로부터 얻은 측정물(100)의 면 형상에 관한 3D 복원용 이벤트 신호(후술함)를 송신부(124)로 출력한다.
즉, 본 실시 형태의 이벤트 발행부(123)는 이벤트를 검출했을 때에는, 그 시각 t에 입력한 동기 신호로부터 이벤트의 위치 검출을 행한다. 이 위치 검출에 대해서는, 도 5 내지 도 8을 참조하면서 후술한다. 또한, 이벤트 발행부(123)는 수광한 화소 어드레스마다 휘도의 변화를 "어드레스 이벤트"로서 실시간으로 검출한다. 이 이벤트 발행부(123)에서는, 어드레스 이벤트를 검출하면, 직전의 어드레스 이벤트와의 휘도의 비교를 행한다. 이에 의해, 미리 설정의 휘도 변화량이 소정의 임계값을 초과한 것을 "이벤트"로서 검출하여 도입하고, 이벤트의 좌표 위치를 나타내는 위치 정보(좌표 데이터)를 포함하는 데이터(이것을 "이벤트 데이터"라고 함)를 송신부(124)로 출력한다. 이벤트 데이터에는, 위치 정보 외에, 이벤트가 발생한 상대적인 시각을 나타내는 시간 정보를 포함시킬 수 있다. 또한, 이것에는, 신호 레벨을 나타내는 계조 정보가 포함되는 경우도 있다.
송신부(124)는 이벤트 발행부(123)로부터 출력된 3차원 복원용 이벤트 데이터를 신호 처리 유닛(13) 측의 후술하는 불필요 신호 제거부(132)로 출력한다.
[신호 처리 유닛의 구성]
본 실시 형태의 신호 처리 유닛(13)은 수광부(12)로부터 얻은 데이터에 기초하여 측정물(100)의 3차원 데이터를 고속으로 검출함과 함께 저장해 간다. 전술한 바와 같이, 신호 처리 유닛(13)은 제어 신호 송신부(131)와, 불필요 신호 제거부(132)와, 3D 연산부(133)와, 메모리(134) 등을 구비한다.
제어 신호 송신부(131)는 도 4에 도시한 바와 같이, 측정물(100)의 형상 측정 동작의 개시(시각 t0)와 함께, 광원(111) 및 스캔 기구(113)를 개시시키는 제어 신호를, 이들로 출력한다. 즉, 형상 측정 개시 시의 레이저 발진 동작에 동기시켜서 측정물(100)의 가로(Y) 방향으로의 소인 주사 동작도 개시시킨다. 또한, 제어 신호 송신부(131)는 광원(111)의 레이저 발진 동작 및 스캔 기구(113)의 소인 동작에 동기시켜서 이벤트 발행부(123)를 구동시키기 위해서, 각 수광부(12A, 12B)의 이벤트 발행부(123)에 동기 신호를 출력한다. 그 결과, 이벤트 발행부(123)에서는, EVS(122)를 통해 휘도 신호를 입력하는 것과 동시에, 동기 신호를 이벤트 데이터에 연결시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 측정물(100)의 전체면에 대한 전체 화소에서의 형상 측정 데이터를 생성한다.
또한, 도 1과 같이, 측정물이 복수개 배열되어 있는 시스템의 경우에는, 형상 측정 장치(10A)를 Y 방향으로 이동시키는 이동 기구(3)의 간헐 동작에 의해, 차례차례로 복수개의 측정물의 형상 측정을 행할 수 있다(이것을 "복수물 측정"이라고 부르기로 함). 한편, 이동 기구를 구비하지 않은 단일의 측정물의 형상 측정 시스템의 경우에는, 여기까지의 1코스의 소인 주사 동작에 관하여, 마찬가지의 제어를 행함으로써, 하나의 측정물의 복수회의 형상 측정 동작을, 시간적으로 반복해서 연속하여 행할 수 있다(이것을 "단일물 측정"이라고 부르기로 함). 그 결과, 단일물 측정에서는, 측정물(100)의 경시 변화를 미소 시간 간격으로 검출할 수 있다. 이와 관련하여, 이 제1 구성예 이후의 구성예에서는, "단일물 측정"의 타입을 채용하고 있고, 시간적으로 시시각각 형상이 변화하는 상황 등의 경우에 편의적이다. 또한, 본 개시에서는, 제1 구성예 이후의 구성예에 대하여 "복수물 측정"을 채용해도 된다.
불필요 신호 제거부(132)는 광원(111)으로부터의 레이저광이 측정면(100A)에 입사했을 때에 발생하는 측정 오차로 이어지는, 멀티패스 반사광(이것을 "2차 반사광"이라고 부르기로 함)에 관계하는 불필요 신호를 제거한다. 멀티패스 반사광이란, 측정을 의도치 않은 경로로부터 입사하는 광으로, 주요인으로서는 외계의 다양한 물체로 복수회 반사가 일어남으로써 발생한다. 본 구성예에서의 불필요 신호 제거부(132)는 촬상 장치(122)에 입사하는 광원부(11A)로부터의 슬릿광 중, 특별히 필요한 산란광(이것이 후술하는 "정규 반사광"이 됨)에 있어서의 입사 각도(기준 각도)와는 다른 입사 각도로 입사한, 2차 반사광에 의해 생성되는 불필요 신호를 제거한다.
구체적으로는, 측정물(100)의 표면의 특정된 임의의 점, 즉, 어떤 시각 t에 있어서의 슬릿광의 입사점에 대응하는 각 화소의 좌표(X, Y, Z)는 일의적으로 결정된다. 즉, 수광부(12)에서는, 광원(111)으로부터 측정물(100)을 향하는 반사광의 입사각은, 일정한 특정값(정규 입사각)이다. 이 정규 입사각에서 입사하는 광(이것을 "정규 입사광"이라고 부르기로 함)이 측정물(100)에서 반사하여 촬상 장치(122)에 들어갈 때의 반사광(이것을 "정규 반사광"이라고 부르기로 함)의 입사각은, 가령, 직전의 포인트와 동일 높이이면, 거기에서의 입사각도 동일하게 된다. 따라서, 정규 반사광의 수광부(12)에 대한 입사 각도가 다르게 되어 있을 때에는, 직전의 포인트에서의 측정면과 비교하면 요철 차가 있어, 높이가 다르게 되어 있다. 즉, 측정물(100)의 높이가 변화하고 있음을 알 수 있다.
2차 반사광이 수광부(12)에, 정규 입사각과는 다른 입사각에서 잘못하여 입사해 오는 경우도 있다. 그 결과, 그 지점에 관한 형상을 오검출할 우려가 있다. 그래서, 불필요 신호 제거부(132)는 본래의 정규 입사각에서 입사했을 때의 수광 강도 또는 수광량으로부터 생성되어야 할 전기 신호(이하, 이것을 "정규 전기 신호"라고 함), 즉 일의의 광 전류값 또는 광 기전력값과는 다른, 이 정규 전기 신호 이외의 전기 신호(이하, 이것을 "불필요 신호"이라고 함)를 제거한다.
3D 연산부(133)는 불필요한 노이즈를 발생하는 불필요 신호를 불필요 신호 제거부(132)에서 제거한 후의 정규 전기 신호를 베이스로 하여, 후술하는 연산식으로, 각 슬릿광에 의해 측정물(100)을 라인형으로 절단시켜서 화소열마다 얻어진, 2차원적인 형상(이것을 "2차원 데이터"라고 함)을 생성한다. 그리고, 스캔 기구(113)에 의해, Y 방향으로 슬릿광이 소인 이동함으로써, 각 라인형의 2차원 데이터를 서로 연결시켜서 3차원적으로 측정물(100)의 형상(이하, 이것을 "3D 형상"이라고 함)을 생성한다.
메모리(134)는 형상 측정 장치(10A)에 의해 축차 도입된 측정물(100)의 측정면(100A)의 3차원 형상에 관한 데이터, 특히 높이 정보(또는 두께 정보)에 기초하여, 필요한 회로로 처리되어 얻은, 측정물(100)의 화소마다의 이벤트 데이터인 3차원 형상에 관한 형상 정보를 저장 보존한다.
[촬상부의 구성예]
다음으로, 본 개시의 촬상 장치(122)를 구비한 촬상부(21)에 대하여, 도 5 내지 도 8을 참조하면서 설명한다.
제1 구성예에 따른 수광부(12)의 촬상 장치(122) 등을 구비한 촬상부(21)의 구성예에 대하여, 이하에 구체적으로 설명한다. 도 5는, 촬상부(21)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 구성예에 따른 촬상부(21)는 EVS라고 불리는 비동기형의 촬상 장치를 사용하고 있으며, 화소 어레이부(211), 구동부(212), 아비터부(213), 칼럼 처리부(214) 및 신호 처리부(215)를 구비한다.
1) 화소 어레이부
상기 구성의 촬상부(21)에 있어서, 화소 어레이부(211)에는, 복수의 화소(210)가 행렬형(어레이형)으로 2차원 배열되어 있다. 이 행렬형의 화소 배열에 대하여, 화소열(칼럼)마다 후술하는 수직 신호선 VSL이 배선된다.
복수의 화소(210)의 각각은, 광 전류에 따른 전압의 아날로그 신호를 화소 신호로서 생성한다. 또한, 복수의 화소(210)의 각각은, 광 전류의 변화량이 소정의 임계값을 초과하였는지 여부에 의해, 어드레스 이벤트의 유무를 검출한다. 그리고, 어드레스 이벤트가 발생할 때, 화소(210)는 리퀘스트를 아비터부(213)로 출력한다.
2) 구동부
구동부(212)는 복수의 화소(210)의 각각을 구동하여, 각 화소(210)에서 생성된 화소 신호를 칼럼 처리부(214)로 출력시킨다.
3) 아비터부
아비터부(213)는 복수의 화소(210)의 각각으로부터의 리퀘스트를 조정하고, 조정 결과에 기초하는 응답을 화소(210)로 송신한다. 아비터부(213)로부터의 응답을 수취한 화소(210)는 검출 결과를 나타내는 이벤트 데이터(어드레스 이벤트의 검출 신호)를 구동부(212) 및 신호 처리부(215)에 공급한다. 화소(210)로부터의 이벤트 데이터의 판독에 대해서는, 복수 행 판독으로 하는 것도 가능하다.
4) 칼럼 처리부
칼럼 처리부(214)는 예를 들어 아날로그-디지털 변환기 등을 포함하고, 화소 어레이부(211)의 화소열마다, 그 열의 화소(210)로부터 출력되는 아날로그의 화소 신호를 디지털 신호로 변환하는 처리 등을 행한다. 그리고, 칼럼 처리부(214)는 아날로그-디지털 변환 후의 디지털 신호를 신호 처리부(215)에 공급한다.
5) 신호 처리부
신호 처리부(215)는 칼럼 처리부(214)로부터 공급되는 디지털 신호에 대하여, CDS(Correlated Double Sampling) 처리나 화상 인식 처리 등의 소정의 신호 처리를 실행한다. 그리고, 신호 처리부(215)는 처리 결과를 나타내는 데이터와, 아비터부(213)로부터 공급되는 이벤트 데이터를 신호선(216)을 통해 출력한다.
[화소 어레이부의 구성예]
도 6은, 화소 어레이부(211)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
복수의 화소(210)가 행렬형으로 2차원 배열되어 이루어지는 화소 어레이부(211)에 있어서, 복수의 화소(210)의 각각은, 광전 변환부(51), 화소 신호 생성부(52) 및 어드레스 이벤트 검출부(53)를 갖는 구성으로 되어 있다.
1) 광전 변환부
상기 구성의 화소(210)에 있어서, 광전 변환부(51)는 입사광을 광전 변환하여 광 전류를 생성한다. 그리고, 광전 변환부(51)는 구동부(212)(도 5 참조)의 제어에 따라, 화소 신호 생성부(52) 및 어드레스 이벤트 검출부(53) 중 어느 것에, 광전 변환하여 생성한 광 전류를 공급한다.
2) 화소 신호 생성부
화소 신호 생성부(52)는 광전 변환부(51)로부터 공급되는 광 전류에 따른 전압의 신호를 화소 신호 SIG로서 생성하고, 이 생성한 화소 신호 SIG를, 수직 신호선 VSL을 통해 칼럼 처리부(214)(도 5 참조)에 공급한다.
3) 어드레스 이벤트 검출부
어드레스 이벤트 검출부(53)는 광전 변환부(51)의 각각으로부터의 광 전류의 변화량이 소정의 임계값을 초과하였는지 여부에 의해, 어드레스 이벤트(이하, 단순히 "이벤트"라고 기술하는 경우가 있음)의 발생의 유무를 검출한다. 어드레스 이벤트는, 예를 들어 광 전류의 변화량이 상한의 임계값을 초과하였다는 취지를 나타내는 온 이벤트 및 그 변화량이 하한의 임계값을 하회하였다는 취지를 나타내는 오프 이벤트를 포함한다. 또한, 어드레스 이벤트의 검출 신호는, 예를 들어 온 이벤트의 검출 결과를 나타내는 1비트, 및 오프 이벤트의 검출 결과를 나타내는 1비트 로 이루어진다. 또한, 어드레스 이벤트 검출부(53)에 대해서는, 온 이벤트만을 검출하는 구성으로 할 수도 있다.
어드레스 이벤트가 발생했을 때, 어드레스 이벤트 검출부(53)는 어드레스 이벤트의 검출 신호의 송신을 요구하는 리퀘스트를 아비터부(213)(도 5 참조)에 공급한다. 그리고, 어드레스 이벤트 검출부(53)는 리퀘스트에 대한 응답을 아비터부(213)로부터 수취하면, 어드레스 이벤트의 검출 신호(이벤트 데이터)를 구동부(212) 및 신호 처리부(215)에 공급한다.
[화소의 회로 구성예]
도 7은, 화소(210)의 회로 구성의 일례를 나타내는 회로도이다. 상술한 바와 같이, 복수의 화소(210)의 각각은, 광전 변환부(51), 화소 신호 생성부(52) 및 어드레스 이벤트 검출부(53)를 갖는 구성으로 되어 있다.
1) 광전 변환부
상기 구성의 화소(210)에 있어서, 광전 변환부(51)는 광전 변환 소자(수광 소자)(511), 전송 트랜지스터(512) 및 OFG(Over Flow Gate) 트랜지스터(513)를 갖는 구성으로 되어 있다. 전송 트랜지스터(512) 및 OFG 트랜지스터(513)로서는, 예를 들어 N형의 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 사용할 수 있다. 전송 트랜지스터(512) 및 OFG 트랜지스터(513)는 서로 직렬로 접속되어 있다.
1-1) 광전 변환 소자
광전 변환 소자(511)는 전송 트랜지스터(512)와 OFG 트랜지스터(513)의 공통 접속 노드 N1과 접지의 사이에 접속되어 있고, 입사광을 광전 변환하여 입사광의 광량에 따른 전하량의 전하를 생성한다.
1-2) 전송 트랜지스터
전송 트랜지스터(512)의 게이트 전극에는, 도 5에 도시한 구동부(212)로부터 전송 신호 TRG가 공급된다. 전송 트랜지스터(512)는 전송 신호 TRG에 응답하여, 광전 변환 소자(511)로 광전 변환된 전하를 화소 신호 생성부(52)에 공급한다.
1-3) OFG 트랜지스터
OFG 트랜지스터(513)의 게이트 전극에는, 구동부(212)로부터 제어 신호 OFG가 공급된다. OFG 트랜지스터(513)는 제어 신호 OFG에 응답하여, 광전 변환 소자(511)에서 생성된 전기 신호를 어드레스 이벤트 검출부(53)에 공급한다. 어드레스 이벤트 검출부(53)에 공급되는 전기 신호는, 전하를 포함하는 광 전류이다.
2) 화소 신호 생성부
화소 신호 생성부(52)는 리셋 트랜지스터(521), 증폭 트랜지스터(522), 선택 트랜지스터(523) 및 부유 확산층(524)을 갖는 구성으로 되어 있다. 리셋 트랜지스터(521), 증폭 트랜지스터(522) 및 선택 트랜지스터(523)로서는, 예를 들어 N형의 MOS 트랜지스터를 사용할 수 있다.
화소 신호 생성부(52)에는, 광전 변환부(51)로부터 전송 트랜지스터(512)에 의해, 광전 변환 소자(511)로 광전 변환된 전하가 공급된다. 광전 변환부(51)로부터 공급되는 전하는, 부유 확산층(524)에 축적된다. 부유 확산층(524)은 축적된 전하의 양에 따른 전압값의 전압 신호를 생성한다. 즉, 부유 확산층(524)은 전하를 전압으로 변환한다.
2-1) 리셋 트랜지스터
리셋 트랜지스터(521)는, 전원 전압 VDD의 전원 라인과 부유 확산층(524)의 사이에 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(521)의 게이트 전극에는, 구동부(212)로부터 리셋 신호 RST가 공급된다. 리셋 트랜지스터(521)는 리셋 신호 RST에 응답하여, 부유 확산층(524)의 전하량을 초기화(리셋)한다.
2-2) 증폭 트랜지스터
증폭 트랜지스터(522)는 전원 전압 VDD의 전원 라인과 수직 신호선 VSL의 사이에, 선택 트랜지스터(523)와 직렬로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(522)는 부유 확산층(524)에서 전하 전압 변환된 전압 신호를 증폭한다.
2-3) 선택 트랜지스터
선택 트랜지스터(523)의 게이트 전극에는, 구동부(212)로부터 선택 신호 SEL이 공급된다. 선택 트랜지스터(523)는 선택 신호 SEL에 응답하여, 증폭 트랜지스터(522)에 의해 증폭된 전압 신호를 화소 신호 SIG로서 수직 신호선 VSL을 통해 칼럼 처리부(214)(도 5 참조)로 출력한다.
상기 구성의 화소(210)가 2차원 배치되어 이루어지는 화소 어레이부(211)를 갖는 촬상부(21)에 있어서, 구동부(212)는 도시 외의 수광 제어부에 의해 어드레스 이벤트의 검출 개시가 지시되면, 광전 변환부(51)의 OFG 트랜지스터(513)에 제어 신호 OFG를 공급함으로써 당해 OFG 트랜지스터(513)를 구동하여 어드레스 이벤트 검출부(53)에 광 전류를 공급시킨다.
2-4) 부유 확산층
그리고, 어떤 화소(210)에 있어서 이벤트의 발생이 검출되면, 구동부(212)는 그 화소(210)의 OFG 트랜지스터(513)를 오프 상태로 하여 어드레스 이벤트 검출부(53)로의 광 전류의 공급을 정지시킨다. 다음으로, 구동부(212)는 전송 트랜지스터(512)에 전송 신호 TRG를 공급함으로써 당해 전송 트랜지스터(512)를 구동하여, 광전 변환 소자(511)에 의해 광전 변환된 전하를 부유 확산층(524)으로 전송시킨다.
이와 같이 하여, 상기 구성의 화소(210)가 2차원 배치되어 이루어지는 화소 어레이부(211)를 갖는 촬상부(21)는 이벤트의 발생이 검출된 화소(210)의 화소 신호만을 칼럼 처리부(214)로 출력한다. 이에 의해, 이벤트의 발생 유무에 관계없이, 전체 화소의 화소 신호를 출력하는 경우와 비교하여, 촬상부(21), 나아가서는, 촬상 장치(122)의 소비 전력이나, 화상 처리의 처리량을 저감시킬 수 있다.
또한, 여기서 예시한 화소(210)의 구성은 일례이며, 이 구성예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 화소 신호 생성부(52)를 구비하지 않는 화소 구성으로 할 수도 있다. 이 화소 구성의 경우에는, 광전 변환부(51)에 있어서, OFG 트랜지스터(513)를 생략하고, 당해 OFG 트랜지스터(513)의 기능을 전송 트랜지스터(512)에 갖게 하게 하면 된다.
3) 어드레스 이벤트 검출부
도 8은, 어드레스 이벤트 검출부(53)의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이, 본 구성예에 따른 어드레스 이벤트 검출부(53)는 전류 전압 변환부(531), 버퍼(532), 감산기(533), 양자화기(534) 및 전송부(535)를 갖는 구성으로 되어 있다.
3-1) 전류 전압 변환부 및 버퍼
전류 전압 변환부(531)는 화소(210)의 광전 변환부(51)로부터의 광 전류를, 그 대수의 전압 신호로 변환한다. 전류 전압 변환부(531)는 변환한 전압 신호를 버퍼(532)에 공급한다. 버퍼(532)는 전류 전압 변환부(531)로부터 공급되는 전압 신호를 버퍼링하고, 감산기(533)에 공급한다.
3-2) 감산기 및 양자화기
감산기(533)에는, 구동부(212)로부터 행 구동 신호가 공급된다. 감산기(533)는 행 구동 신호에 따라서, 버퍼(532)로부터 공급되는 전압 신호의 레벨을 저하시킨다. 그리고, 감산기(533)는 레벨 저하 후의 전압 신호를 양자화기(534)에 공급한다. 양자화기(534)는 감산기(533)로부터 공급되는 전압 신호를 디지털 신호로 양자화하여 어드레스 이벤트의 검출 신호(이벤트 데이터)로서 전송부(535)로 출력한다.
3-3) 전송부
전송부(535)는 양자화기(534)로부터 공급되는 어드레스 이벤트의 검출 신호(이벤트 데이터)를 아비터부(213) 등으로 전송한다. 이 전송부(535)는 이벤트의 발생이 검출되었을 때, 어드레스 이벤트의 검출 신호의 송신을 요구하는 리퀘스트를 아비터부(213)에 공급한다. 그리고, 전송부(535)는 리퀘스트에 대한 응답을 아비터부(213)로부터 수취하면, 어드레스 이벤트의 검출 신호를 구동부(212) 및 신호 처리부(215)에 공급한다.
[측정물의 형상 측정 방법(측정 원리)]
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 관한, 제1 구성예의 형상 측정 장치(10A)에서의 형상 측정 원리에 대하여, 도 9 및 도 10을 참조하면서 설명한다.
본 개시의 제1 구성예에서는, 상술한 바와 같이, 단일의 광원부(11A) 및 2개의 수광부(12)(즉, 수광부(12A, 12B)를 사용하여 측정물(100)(측정면(100A))의 3차원 형상을 검출해 간다.
광원부(11A) 및 수광부(12A, 12B)를 포함하는 수광부(12)의 위치 관계에 대해서는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 본 구성예에서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 광원부(11A)의 양측에 수광부(12A, 12B)를 배치하고 있다. 이것들 수광부(12A, 12B)는 광원부(11A)에 대하여 특히 좌우 대칭적인 배치일 필요는 없으며, 가능한 한 서로 이격되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 광원부(11A) 및 수광부(12)는 동일한 YZ 평면을 따라 배열되어 있어도 되고, 동일 YZ 평면상에 없어도 된다.
광원부(11A)의 광원(111)인 반도체 레이저(LD)로부터의 청색광은, 도 3에 도시한 실린드리컬 렌즈(112)로 파형 가공되고, XZ면에 평행한 라인 슬릿광이 되어 측정물(100)의 측정면(100A)에 투광·조사된다.
이 라인 슬릿광을 입사한 측정면(100A)에서는, 측정면(100A)의 요철에 따라서 산란하고, 그 산란광이 각각의 수광부(12A, 12B)의 수광 렌즈를 투과하여 각 촬상 장치(122A, 122B)인 EVS1, EVS2에 입사한다.
각 촬상 장치(122A, 122B)인 EVS1, EVS2에는, 측정면(100A)에서 산란하여 생성된 산란광이 반사광이 되어 입사해 올 우려가 있다. 이에, 본 개시에서는, 측정면(100A)의 측정 중의 각 위치에서 산란·반사 후에 수광부(12A, 12B)를 향하는 반사광 중에서, 특히 서로 다른 배치로 마련한 각 수광부(12A, 12B)를 향해, 각각 다른 최단 광로를 찾아가서 입사해 오는 2개의 측정광이, 각각의 정규 반사광이 된다. 이들 정규 반사광으로부터의 데이터가 본 개시의 형상 측정에 사용된다.
본 구성예의 측정물(100)에 있어서도, 2차파(2차 반사광)가 촬상 장치(122)인 EVS1, EVS2(이하, 이것을 "EVS1, 2"라고 호칭하는 경우가 있음)에 입사하여 측정(측거) 오차로 이어질 우려가 있다. 그래서, 각 시각 t에서의 각각의 EVS1, 2로 측정하여 얻은 데이터로부터, 후술하는 소정의 연산식을 이용하여, 각각의 EVS1, 2에서의 측정면(100A)까지의 거리 등을 산출하고, 양쪽의 EVS1, 2로 얻어진 형상이 일치하는 것을 정규 반사광으로부터의 데이터로서 사용하고, 이 정규 반사광으로부터 이하의 연산식에 의해 측정물(100)의 단면 형상을 산출하고, 3차원 형상으로 파악할 수 있다. 이것에 대해서는, 도 10 및 도 11을 참조하면서 상세히 설명한다.
또한, 여기에서 사용하는 연산식은, 이하의 것이며, 이들 연산식으로부터 특히 측정면(100A)의 각 지점(X, Y, Z)에서의 형상을 산출할 수 있다.
X=임의의 깊이 방향에서의 지점에서의 X 좌표 …(1)
Y=(스캔 기구에서의 주사 속도)·(스캔 기구의 작동 시간)-(Y 방향에 관한 측거 오차 Δy) …(2)
Z=(Y 방향에 관한 측거 오차Δy)/(tanθ) …(3)
단, 여기서, θ: 광원의 수선에 대한 경사 각도
여기서, 도면을 참조하면서, (3)식의 도출에 대하여 설명한다.
도 11은, 광원(122)으로부터 출사하는 광원(111)인 LD로부터 발진하는 레이저광의 광로를 나타낸다. 레이저광은, 커히렌트광이기 때문에, 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 이 레이저광의 광로상에 있어서 특정한 동일 위상(파면) 부분을 순차 검은 동그라미 및 경사 파선으로 나타낸다. 또한, 스테이지(2)로부터의 높이를 명확하게 하기 위해서, 등고선을 파선으로 나타내고 있다. 또한, 본 개시의 본 구성예에서 사용하는 측정광에 대해서는, 특히 예를 들어 위상의 변화 등을 이용·검출할 필요가 없으므로, 물론, 인코히렌트광이어도 된다.
동 도면에 있어서, 어떤 슬릿광의 측정면(100A)의 표면점 C의 바로 아래의 저부 좌표를 A=(X0, Ya, Z0), 또한 스테이지(2)에 대면하는 저부 B에서의 좌표를 B=(X0, Yb, Z0), 스테이지(2)로부터 측정해야 할 높이 H에 있는 표면의 점 C의 좌표를 C=(X0, Ya, Za)라 하면, B점 및 C점으로부터의 정규 반사광의 가로(Y) 방향의 어긋남인 측거 오차를 Δy는, 삼각형 ABC에 있어서, 다음 식
tanθ=Δy/H …(4)
(단, H: 측정물(100)의 두께)
가 성립한다. 이 (4)식에 의해, 구하는 높이 H=Δy/tanθ, 즉 (3)식이 도출된다. 따라서, (1) 내지 (3)식에 의해, 측정면(100A)의 두께 방향에 관한 데이터를 포함한 점 C의 3차원 좌표(X0, Ya, Za)가 얻어진다. 또한, 이 점 C에 대해서는 X 좌표를 X=0으로 하고 있지만, 특히 이 좌표 위치만으로 한정되는 것은 아니다. 스테이지(2)상의 측정물(100)에 대하여, 그 X 방향에 관한 임의의 위치 좌표를 적용할 수 있다.
또한, 본 구성예에서의 3차원 데이터화의 방법으로서, 상기 이외에, 예를 들어 위상차나 편광면의 상이로부터 2차 반사광을 제외한 정규 반사광을 변별·추출하여 3차원 형상을 생성하는 구성 등이어도 된다. 편광면을 이용한 구성예에 대해서는, 후에 상세히 설명한다.
따라서, 측정물(100)의 측정면(100A)에 도달하는 평면파(구면파여도 됨)는 측정면(100A)의 높이 위치에 의해, 수광부까지의 평면파의 전달 시간 t에 어긋남을 발생시킨다(동시에, 위상차 등에도 어긋남을 발생시킴). 그 결과, 상기한 연산식의 (2) 및 (3)에 포함하는 측거 오차 Δy를 발생시킨다. 이에 의해, 이 시간 t 및 측거 오차 Δy로부터 측정물의 높이 H를 연산할 수 있다. 또한, 본 개시에서는 상세는 생략하지만, 촬상 장치(122)에 도달하는 전기장의 강도 E나 축적하는 전하량 등에도 시간적인 차를 발생시키도록 해도 된다. 예를 들어, 각 화소의 휘도의 차나 축적 전하량의 차 등을 이용함으로써, 측정물(100)의 높이를 계측해도 된다.
[본 구성예의 작용 효과]
따라서, 본 구성예에 의하면, 2개의 촬상 장치(122A, 122B)인 EVS1, 2에서는, 정규 반사광(산란광)을 수광함으로써 형상 변화가 작은 것은 물론, 형상(요철) 변화가 큰 지점 등인 점에서도, 양쪽의 EVS1, 2로부터는 동일 형상(높이 H)을 부여하는 검출 신호가 출력된다. 도 12는, 어떤 시각 t1에서의 각 화소의 이벤트 데이터의 출력 분포를 나타내는 모식도이다. 이 도면에 있어서, 좌반부의 에어리어와 우반부의 에어리어에서는, 이벤트 데이터의 출력 상태가 전혀 다른 것까지는 판단이 선다.
그런데, 단일 EVS이면(단일 광원도 전제로 하고 있음), 어느 쪽이 정규 반사광에 기초하는 정규 신호로 생성된 이벤트 데이터의 출력인 것인지 판단이 서지 않는다.
본 구성예에서는, 2개의 촬상 장치(122)를 사용하고 있다. 임의의 시각 t에서의 어떤 지점에서는, 어느 쪽의 EVS1, 2로 도입한 반사광이어도, 정규 반사광을 도입하면, 양쪽의 EVS1, 2로부터 얻어지는 앞의 지점에서의 볼록부의 높이(또는 오목부의 깊이)는 일의적으로 결정되어 있을 것이다. 즉, 동일 지점에서의 높이 H가 복수값이 되는 것은, 물리적으로 있을 수 없다. 양쪽의 EVS1, 2로부터 얻어지는 동일 지점에서의 이벤트 데이터는 동일해야 하며, 양쪽의 EVS1, 2에 있어서 일의의 입력 신호값을 부여하는 반사광이 정규 반사광이 된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 전술한 연산식을 이용하여, 정규 반사광으로부터의 데이터를 기초로 한 연산을 행한다. 이에 의해, 요철 차가 큰 지점에서도 정밀도가 높은 형상 측정을 할 수 있다. 게다가, 촬상 장치(122A, 122B)에는, EVS를 사용하고 있으므로, 고속으로의 3차원 화상의 도입을 실현할 수 있다.
이와 같이, 본 구성예에 의하면, 광원부(11A) 내의 광원(111)으로부터 측정물(100)을 향하는 측정광에는 최단 광로를 찾아 가는 측정광을 사용함과 함께, 그 측정광이, 측정물(100)의 각 시각에서의 측정 포인트인 측정면(100A)의 특정 위치에서 산란·반사 후, 수광부(12)를 향하는 측정광에는, 동일 포인트(동일 위치)에서 반사·산란한 반사광이며, 서로 다른 최단 광로를 찾는 2개의 측정광(정규 반사광)을 사용할 수 있도록 구성하였다. 이에 의해, 반사광 중에, 멀티패스 반사광(즉, 2차 반사광)이 혼재하여 그 2차 반사광이 수광부(12)에 입사하고 있었다고 해도, 상기한 특성을 갖는 2개의 정규 반사광을 사용하여, 측정물(100)의 측정면 형상을 정확하게 측정할 수 있다. 특히, 그 형상에 깊은 요철이 형성되어 있어도, 상기한 연산식 (1) 내지 (3)에 의해, 정밀도 높게 산출 가능해진다.
(2-2. 제2 구성예)
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 관한, 제2 양태(이하, 「제2 구성예」라고 함)의 형상 측정 장치(10B)에 대하여, 도 13 및 도 14를 참조하면서 설명한다. 또한, 제1 구성예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명을 피한다.
본 구성예가 앞의 제1 구성예와 다른 것은, 광원부(11)에는 제1 광원부(11B)와 제2 광원부(11C)의 2개의 것을 사용하고 있는 점과, 수광부(12)에는 단일의 것(이하, 수광부(12C)라고 함)을 사용하고 있는 점이다. 제1 광원부(11B)와 제2 광원부(11C)의 2개의 광원부는, 서로 이격되어 설치시켜 두는 것이 바람직하다. 예를 들어, 수광부(12)를 중심으로 하여, 가로(Y) 방향에 대하여 서로 반대 위치에 설치 할 수 있다. 특히 수광부(12)를 중심으로 한 대칭적인 배치일 필요는 없다. 또한, 본 구성예에서는, 신호 처리 유닛(13)의 제어 신호 송신부(131)에 대한 제어도 다르이다.
제1 광원부(11B)는 광원으로서 청색 파장(λb)의 청색 레이저광을 연속 발진하는 제1 반도체 레이저(LD1)(111B)를 사용할 수 있다. 제2 광원부(11C)에 대해서도, 광원으로서 제1 반도체 레이저(LD1)(111B)와 동일 파장(λb)의 제2 반도체 레이저(LD2)(111C)를 사용할 수 있다. 제1 반도체 레이저(LD1)(111B)는 상세는 후술하는 바와 같이, 제어 신호 송신부(131)로부터의 제어 신호에 의해, 제2 반도체 레이저(LD2)(111C)와의 사이에서, 시분할로 구동시켜서 발진시킬 수 있다.
제1 광원부(11B) 및 제2 광원부(11C)에서는, 실린드리컬 렌즈(112)나 스캔 기구(113)에 대해서도, 각각 제1 구성예와 동일 구성의 것을 사용할 수 있다.
본 구성예의 각 광원부(11B, 11C)에서도, 측정물(100)에 대하여 가로(Y) 방향에 관하여 순차 소인 스캔한다. 그러나, 본 구성예에서는, 각 화소열(칼럼)에 대하여 순차, 2분할된 시간 간격으로, 각각 깊이(X) 방향 전체 폭에 슬릿광을 투광한다. 구체적으로는, 제어 신호 송신부(131)의 제어에 의해, 도 14에 도시한 바와 같이, 각 슬릿광에 대해서는, 각 화소열(칼럼)에서의 시간 간격 Δt에서 투광 시, 제1 광원부(11B)로부터, 특정 파장(λb)의 청색 레이저광을 Δt/2초로 조사한다. 그 후, 계속하여 제2 광원부(11C)로부터, 동일 파장(λb)의 청색 레이저광을 Δt/2초로 조사한다. 이들 청색 레이저광은, 측정물(100)에 대하여 다른 배치의 광원(111B, 111C)으로부터 각각 투광된다.
한편, 수광부(12C)는 단일의 구성이며, 촬상 장치(122)에는, 제1 구성예의 것과 마찬가지로, 비동기형을 사용하고 있다. 즉, 측정물(100)에서 반사되어 입사하는 광을 광전 변환하는 화소가 행렬형으로 2차원 배치된 구성의, EVS(Event-based Vision Sensor)를 사용하고 있다. 이 EVS로는, 제1 구성예와 마찬가지로, 측정물(100)의 측정면에서의 반사광에 대하여, 화소열(칼럼)마다, 그 화소열을 구성하는 각 화소에 축차 도입해 간다. 그리고, 이들의 도입한 반사광에 기초하여, 각 화소열(칼럼)을 구성하는 각 화소는, 광전 변환에 의해 광전 변환 신호를 생성해 간다. 그 광전 변환 신호는, 이벤트 발행부(123)로 출력된다.
[동작 및 효과]
따라서, 본 구성예에 의하면, 이와 같이, 각 제1, 제2 반도체 레이저(111B, 111C)에 대한 구동 시간을 등분으로 2분할시키고 있다. 즉, 본 구성예에서는, 각 화소열(칼럼)에 투광하는 슬릿광이, 제1 반도체 레이저로부터의 레이저 및 제2 반도체 레이저로부터의 레이저광의 순서로, 각각 한 번씩, 도합 2회 투광된다. 이와 같은 각 레이저광은, 측정물(100)의 가로(Y) 방향의 개시 지점(Y=0; 원점 O)으로부터 가로 방향의 최종 지점(Y=L; 단, L은 측정물(100)의 가로 방향 전체 길이)까지, 순차 사이클릭으로 반복한다.
따라서, 본 구성예에 의하면, 수광부(12)에서는, 각 화소열(칼럼)에, 제1, 제2 광원(11B, 11C)으로부터의 반사광이 렌즈(121)를 투과하여 EVS(122)로 순차 입사한다. 이때, 각 광원으로부터는, 정규 반사광 외에 2차 반사광도 입력될 가능성이 있다. 그래서, 제1 구성예와 마찬가지로, 신호 처리 유닛(13)으로 출력되는 전기 신호로부터, 불필요 신호 제거부(132)로 2차 반사광에 대한 전기 신호를 제거시킨다.
본 개시에 따른 제2 구성예에서도, 전술한 바와 같이, 각 광원부(11B, 11C)로부터 각각 출사하여 측정물(100)의 측정면(100A)에서 반사되는 각 반사광(산란광) 중 수광부(12)를 향해 최단 경로를 찾는 각 반사광이, 2개의 정규 반사광으로서 수광부(12)에 입사해 온다. 또한, 측정면(100A)에서 반사·산란한 후에, 예를 들어 다른 부위에서의 반사 등을 일으켜서 다른 광로를 둘러싸고 나서 수광부(12)에 입사하는 반사광(2차 반사광)도 있을 수 있다. 이와 같은 2차 반사광이 입사하였다고 해도, 본 구성예에 의하면, 제1 구성예와 마찬가지로, 2개의 정규 반사광으로부터 얻는 데이터가 일의의 것이라는 점에서, 이들 데이터와는 다른 데이터를 생성하는 2차 반사광에 관련된 불필요 신호가, 그 후, 불필요 신호 제거부(132)로 제거할 수 있다.
이에 의해, 각 레이저광의 정규 반사광에 기인하는 정규 전기 신호만이 3D 연산부(133)에 입력된다. 3D 연산부(133)에서는, 이들 정규 전기 신호로부터, 전술한 연산식을 이용하여, 어느 레이저광으로부터도, 동일한 화소열(칼럼)에 있어서, 측정물(100)의 측정면(100A)에서의 깊이(X) 방향의 데이터와 함께, 동일 높이(Z; 또는 동일 H 깊이)를 부여할 값이 얻어진다. 이와 같은 스캔 주사를 측정물(100)의 가로(Y) 방향으로 시점(Y=0)으로부터 종점(Y=L)까지 소인 주사시킨다. 이에 의해, 측정물(100)에 대하여 정밀도가 높은 3차원 형상을 얻을 수 있다.
따라서, 본 구성예에 의하면, 제1 구성예와 마찬가지로, 촬상 장치(122)에는 EVS를 사용하고 있어, 요철 차가 큰 측정물(100)이어도, 정밀도가 높은 3차원 형상을 고속으로 검출할 수 있다.
(2-3. 제3 구성예)
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 관한, 제3 양태(이하, 「제3 구성예」라고 함)의 형상 측정 장치(10C)에 대하여, 도 15 및 도 16을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 구성예에서도, 앞의 구성예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명을 피한다.
본 개시의 구성예가 앞의 제2 구성예와 마찬가지로, 광원부에는 제1 광원부(11D)와 제2 광원부(11E)의 2개의 것을 사용하고 있지만, 제1 광원부(11D) 및 제2 광원부(11E)로부터, 서로 다른 파장의 광을 출사한다는 점에서, 제2 구성예와 다르다. 또한, 본 구성예에서도, 제2 구성예와 마찬가지로, 신호 처리 유닛(13)에서는, 제어 신호 송신부(131)에 의해, 시분할로 각 광원의 레이저의 발진 동작의 제어를 행한다.
제1 광원부(11D)는 광원으로서, 청색 파장(λb)의 청색 레이저광을 연속 발진하는 제1 반도체 레이저(LD1)(111D)를 사용한다. 한편, 제2 광원부(11E)에서는, 광원으로서, 적색 파장(λr;λr>λb)의 적색 레이저광을 연속 발진하는 제2 반도체 레이저(LD2)(111E)를 사용한다.
또한, 이들 제1, 제2 광원부(11D, 11E)에서 사용하는 광원(111D, 111E)으로서는, 동일 광대역 폭의 파장 광원(예를 들어 백색 LD)을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 각 광로상에 서로 다른 색 필터를 배치하여 2색의 측정광을 생성해도 된다. 또한, 파장(λ) 변환이 가능한 반도체 레이저 등을 사용하여, 파장(λ)을 변환시킴으로써 각 레이저광을 구별시켜도 된다. 또한, 제2 고조파 발생(SHG)이나 합주파 발생(SFG) 등의 비선형 주파수(ω) 변환 수단에 의해, 각 레이저광의 구별을 행하도록 해도 된다.
본 구성예의 제1, 제2 광원부(11D, 11E)에서도, 측정물(100)에 대하여 가로(Y) 방향에 관하여 순차 소인 스캔할 때, 각 화소열(칼럼)에 대하여 앞의 구성예와 마찬가지로, 각 화소열(칼럼)에서의 주사 시간 간격 Δt초에서의 투광 시에, 처음에, 제1 광원부(11D)로부터의 청색 레이저광을 Δt/2초로 조사한다. 그 직후, 계속하여 제2 광원부(11E)로부터 적색 레이저광을 Δt/2초로 조사한다. 이하, 마찬가지의 주사 동작을, 각 화소열에 대응하여 순차 반복해서 행한다.
한편, 수광부(12D)는 단일의 구성이며, 촬상 장치(122)에는 제2 구성예와 마찬가지의 EVS(Event-based Vision Sensor)를 사용한다. 그러나, 본 구성예의 EVS에서는, 각 화소열에 대응하는 에어리어를, 각 반도체 레이저의 작동 시간 간격에 대응시켜서 2분할하고 있다. 이 각 화소열의 각 화소에 대응하는 에어리어 부분 중 전반의 제1 분할 영역(여기를 "청색 에어리어"라고 칭하는 경우가 있음)에는, 도 16에 도시한 바와 같이, 청색 이외의 파장의 광을 흡수하고, 청색광만을 투과시키는 제1 필터로서, 청색 필터 BF1, BF2, BF3, …을 마련하고 있다. 마찬가지로, 각 화소열의 후반 부분의 제2 분할 영역(여기를 "적색 에어리어"라고 칭하는 경우가 있음)에는, 적색광만 투과시켜서 나머지 광을 흡수하는 제2 필터로서, 적색 필터 RF1, RF2, RF3, …을 마련하고 있다. 이와 같은 구성에 의해, 각 화소열의 각 화소에 있어서의 전반 및 후반의 에어리어(청 에어리어 및 적 에어리어)에는, 각각, 제1 반도체 레이저(111D)로부터의 청색 레이저광 및 제2 반도체 레이저(111E)로부터의 적색 레이저광만을 분별하여 입사시킬 수 있다.
[작용 및 효과]
따라서, 본 구성예에 의하면, 이와 같이, 제1, 제2 반도체 레이저(111D, 111E)에 대한 구동 시간을 등분으로 2분할시키고 있다. 즉, 본 구성예에서는, 각 열(칼럼)에 대한 슬릿광이, 청색으로부터 적색의 순으로 구분되어 투광된다. 이와 같은 2색의 레이저광은, 측정물(100)의 가로(Y) 방향의 개시 지점(Y=0; 원점 O)으로부터 가로 방향의 최종 지점(Y=L; 단, L은 측정물(100)의 가로 방향 전체 길이)까지 순차 사이클릭으로 반복한다.
특히, 본 구성예에서는, 각 화소열의 각 화소 내에서의 전반 및 후반 에어리어(청 에어리어 및 적 에어리어)에는, 각각, 제1 반도체 레이저(111D)로부터의 청색 레이저광 및 제2 반도체 레이저(111E)로부터의 적색 레이저광만을 허용하여 입사시킬 수 있다. 따라서, 수광부(12)에서는, 렌즈(121)를 투과하여 단일의 EVS(122)에, 청색광에서의 반사광 및 적색에서의 반사광이 서로 혼색하여 자색 등에 중첩되어, 각 화소열(칼럼)에 입사해도, 각 색 필터, 즉, 제1 필터인 청색 필터 BF1, BF2, BF3, …및, 제2 필터인 적색 필터 RF1, RF2, RF3, …으로 불필요 파장광이 제거된다. 이에 의해, 순차 각 소정 에어리어에는, 원하는 파장의 레이저광만을 입사할 수 있다. 이때, 각 화소 내의 각 색 에어리어에는, 동색 레이저광을 선별하여 입사시키고 있어도, 허용되어 있는 동색의 2차 반사광도 동시에 입력할 가능성이 있다. 그래서, 만일 이와 같은 동색의 2차 반사광이 동색 에어리어에 입사하였다고 해도, EVS로부터 신호 처리 유닛(13)로 출력되는 광전 변환된 전기 신호는, 불필요 신호 제거부(132)로, 각 동색 레이저광에 관련된 2차 반사광의 전기 신호를 제거시킬 수 있다.
또한, 본 개시에 따른 제3 구성예에서도, 전술한 제2 구성예와 마찬가지로, 각 광원부(11D, 11E)로부터 각각 출사하여 측정물(100)의 측정면(100A)에서 반사되는 각 반사광(산란광) 중 수광부(12)를 향해 최단 경로를 찾는 각 반사광이, 2종류의 정규 반사광으로서 수광부(12D)에 입사해 온다. 한편, 본 구성예에서도, 측정면(100A)에서 반사·산란한 후에, 다른 광로 등에서의 반사 등을 행하여 수광부(12D)에 입사해 오는 반사광(2차 반사광)도 있을 수 있다. 이와 같은 2차 반사광이 입사해도, 본 구성예에 의하면, 제2 구성예와 마찬가지로, 2차 반사광이 가져오는 불필요 신호를, 불필요 신호 제거부(132)로 제거할 수 있다.
이에 의해, 2색 레이저광에 관련된 정규 전기 신호만을 입력하는 3D 연산부(133)에서는, 2종류의 정규 전기 신호로부터, 전술한 연산식을 이용하여 3차원 형상을 연산한다. 어느 레이저광으로부터도, 동일 화소열(칼럼)에 있어서, 측정물(100)의 측정면(100A)에서의 동일 높이(H; 또는 동일 깊이)를 부여하는 값이 얻어진다. 이와 같은 조작을 측정물(100)의 가로 방향으로 시점(Y=0)으로부터 종점(Y=L)까지 소인 주사시킴으로써, 측정물(100)에 대하여 정밀도가 높은 3차원 형상을 얻을 수 있다.
따라서, 본 구성예에 의하면, 제1, 제2 구성예와 마찬가지로, 요철 차가 큰 측정물(100)이어도, 정밀도가 높은 3차원 형상을, 촬상 장치(122C)에 EVS를 사용함으로써 고속으로 검출할 수 있다.
또한, 본 구성예의 EVS에서는, 파장이 다른 레이저광을, 각 화소열 단위로 각각 각 파장의 광에 대응하여 2분할된 지정 에어리어에 입사시키는 구성이다. 따라서, 어떤 화소열의 부분에서, 예를 들어 외란광으로서 청색광 중에 적색광이 혼합된 자색 등의 상태에서, EVS의 화소열의 청색 필터 BF가 걸린 소정 에어리어에 입사하려고 해도, 청색 필터 BF로 차단된다. 따라서, 그 화소열의 소정 에어리어에서는, 청색 레이저광으로부터의 반사광만을 입사시킬 수 있다. 또한, 적색 필터 RF가 걸린 화소열이라도, 마찬가지의 것이 행해진다. 이에 의해, 정확한 3차원 형상의 측정을 행하는 것이 가능해진다.
(2-4. 제4 구성예)
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 관한, 제4 양태(이하, 「제4 구성예」라고 함)의 형상 측정 장치(10D)에 대하여, 도 17 내지 도 19를 참조하면서 설명한다. 또한, 본 구성예에서도, 앞의 구성예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명을 피한다.
본 구성예가 제3 구성예와 상이한 점은, 제1 광원부(11F) 및 제2 광원부(11G)의 각 광원(111F 및 111G)에는, 각각, 동일 파장(λ)의 레이저광을 출사하는 반도체 레이저 LD1, LD2를 사용하고 있다. 또한, 이것들 제1 광원부(11F) 및 제2 광원부(11G)에는, 제3 구성예와는 달리, 각각 다른 소정의 기능을 갖는 편광자(114, 115)가 부설되어 있다. 또한, 이들 LD1 및 LD2에는, 동일 파장이 아니라, 다른 파장의 레이저광을 출사하는 전혀 다른 종류의 LD를 사용할 수도 있다.
[제1, 제2 광원부]
반도체 레이저 LD1에서는, 특정 파장(λ)을 갖는 거의 원편광(또는 타원 편광이어도 됨)의 레이저광을 발진 출사한다. LD2에서도, 반도체 레이저 LD1과 마찬가지의 파장을 갖는 거의 원편광(또는 타원 편광)의 레이저광을 발진 출사한다. 이들의 레이저로부터 출사하는 레이저광의 파장에 대해서는, 특별히 한정되는 것이 아니라, 임의의 파장의 것이 선택 가능하다.
제1 광원부(11F)에서는, 제3 구성예와 달리, 세로 편광의 레이저광을 출사시키기 위해서, 도 18의 A에 도시한 LD1의 직후의 광로(광축 A1)상에 상술한 제1 편광자(114)를 마련하고, 원편광(또는 타원 편광)으로부터 세로 편광(이하, "P파"라고 부르기로 함)으로 편광면의 정형을 행하고 있다. 마찬가지로, 제2 광원부(11G)에서는, 제3 구성예와 달리, 가로 편광의 레이저광을 출사시키기 위해서, 도 18의 B에 도시한 LD2의 직후 광로(광축 A2)상에 상술한 제2 편광자(115)를 마련하고, 원편광(또는 타원 편광)으로부터 가로 편광(이하, "S파"라고 부르기로 함)으로 편광면의 정형을 행하고 있다.
[수광부]
한편, 수광부(12)로서, 본 구성예의 수광부(12E)에는, EVS에 있어서, 도 19에 도시한 바와 같이, 제3 구성예와 마찬가지의 패턴으로, 각 화소열에 대응하는 에어리어가, 각각, P파, S파만이 입사하도록 2분할된 영역, 즉, 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 분할되어 있다. 구체적으로는, EVS의 각 화소열의 각 화소에 대응하는 각 2분할 에어리어인 제1 분할 영역(이하, 「P파 에어리어」라고 함) 및 제2 분할 영역(이하, 「S파 에어리어」라고 함)에는, 제1 편광자(114) 및 제2 편광자(115)와 마찬가지의 기능을 갖는 각 필름, 즉, 제1 필름으로서 세로 편광 필름 FP1, FP2, FP3… 및 제2 필름으로서 가로 편광 필름 FS1, FS2, FS3…이, 각 에어리어에 맞춰서 각각 설치된다.
따라서, 본 구성예에서도, 제3 구성예와 마찬가지로, 각 화소열의 전반 및 후반 에어리어의 대응 에어리어에는, 각각, 제1 반도체 레이저로부터의 세로 편광의 레이저광 및 제2 반도체 레이저로부터의 가로 편광의 레이저광만을 분별하여 입사시킬 수 있다. 따라서, 수광부(12)에서는, 렌즈(121)를 투과하여 단일의 EVS(122)로 각 화소열(칼럼)마다 입사하는 레이저광은, 세로, 가로 편광면 등이 혼재하고 있어도, 각 편광자와 동등한 기능을 갖는 세로 편광 필름 FP 및 가로 편광 필름 FS로, 불필요 편광면을 갖는 레이저광, 예를 들어 불필요한 2차 반사광 등이 제거된다. 이에 의해, EVS의 각 화소열의 각 에어리어에는, 필요한 편광면의 레이저광만을 선택하여 입사시킬 수 있다.
또한, 본 개시에 따른 제4 구성예에서도, 전술한 제3 구성예와 마찬가지로, 각 광원부(11F, 11G)로부터 각각 출사하여 측정물(100)의 측정면(100A)에서 반사되는 각 반사광(산란광) 중 수광부(12)를 향해 최단 경로를 찾는 각 반사광이, 2종류의 정규 반사광으로서 수광부(12E)로 입사해 온다. 한편, 본 구성예에서도, 측정면(100A)에서 반사·산란한 후에, 예를 들어 다른 지점에서 반사하거나 하여 다른 광로를 둘러싸서 수광부(12E)로 입사해 오는 반사광(2차 반사광)도 있을 수 있다. 만약 이와 같은 경우에도, 제1 내지 제3 구성예와 마찬가지로, 2차 반사광에 관련하여 생성되는 불필요 신호를, 불필요 신호 제거부(132)로 제거할 수 있다.
따라서, 본 구성예에 의하면, 제1 구성예와 마찬가지로, 요철 차가 큰 측정물(100)이어도, 세로 편광의 레이저광 및 가로 편광의 레이저광을 각각 각 화소 내의 지정 에어리어에, 편광면이 지정된 레이저광만을 입사시킬 수 있다. 이에 의해, 정밀도가 높은 3차원 형상을 검출할 수 있다. 게다가, 본 구성예에서도 촬상 장치에 EVS를 사용하고 있어, 고속으로 3차원 형상의 측정이 가능해진다.
(2-5. 제5 구성예)
다음으로, 본 개시의 제2 실시 형태의 형상 측정 시스템에 관한, 제5 양태(이하, 「제5 구성예」라고 함)의 형상 측정 장치(10E)에 대하여, 도 20 내지 도 22를 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 구성예에서도, 앞의 구성예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 중복 설명을 피한다.
본 구성예가 지금까지의 구성예와 다른 것은, 광원부(11H)가 단일의 것이며, 또한 광원부(11H) 내에는 백색광을 출사하는 LD(111H), 실린드리컬 렌즈(112), 스캔 기구(113) 외에, 분광용 프리즘(116)을 구비하고 있는 점과, 수광부(12F)가 단일의 것이며, 또한, 이 수광부(12F)보다도 반사광 노상의 렌즈(121) 직전에 3색의 파장대, 즉, 적색(이하, 「R」이라고 약기하는 경우가 있음), 녹색(이하, 「G」라고 약기하는 경우가 있음), 및 청색(이하, 「B」라고 약기하는 경우가 있음)의 파장의 광을 선택적으로 투과시키는 색 필터(125)를 구비하고 있는 점이다. 또한, 이 색 필터(125)는 R만을 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제1 필터(이하, 「필터 R」이라고 함), G만을 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제2 필터(이하, 「필터 G」라고 함), B만을 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제3 필터(이하, 「필터 B」라고 함)로 구성된다.
[광원부]
광원(111H)에는, 출사 파장이 광대역의 것이면 바람직하다. 본 구성예에서는, 발진 파장 영역이 380㎚ 내지 760㎚의 가시광 영역을 커버하는 백색의 레이저광을 출사하는 반도체 레이저(이하, "백색 반도체 레이저(111H)"라고 부르기로 함)를 사용하고 있다. 또한 이 광원(111H)에는, 광대역의 발광이면, 예를 들어 청색 LED를 인광 재료로 코팅하여 청색광의 일부를 녹색, 황색, 적색광으로 변환하고 있는 백색 LED 등에서도 가능하지만, 바람직하게는 고휘도이고 지향성이 있는 것이 좋다.
프리즘(116)은 백색 반도체 레이저(111H)로부터 출사하는 백색광을 분광 분할시키는 것이다. 본 구성예의 프리즘(116)으로 입사한 레이저광은, 여기를 투과 후에, 각 파장에서의 굴절률의 차이에 의해 7색의 스펙트럼으로 분광·분리된다.
본 구성예의 프리즘(116)에서는, 도 21에 도시한 바와 같이, 크게 구별하여 3종류의 파장대의 입사광(R, G 및 B의 파장대)으로 분리·분할시키도록 하고 있다. 이 3종류의 입사광 α란, 대략 380 내지 500㎚의 청색 입사광(이하, B광: αB라고 함), 500 내지 580㎚의 녹색 입사광(이하, G광: αG라고 함) 및 580 내지 760㎚의 적색 입사광(이하, R광: αR이라고 함)이다. 또한, 본 개시에서는, 예를 들어 380㎚ 내지 760㎚ 등의 파장 폭의 가시광에 대하여 더 미세한 그룹으로 분리·분할시킴으로써도 가능하다. 그 경우에는, 수광부측의 후술하는 색 필터에 대해서도, 동일한 파장 투과 특성이 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
[수광부]
수광부(12F)는 기본적으로는, 지금까지의 제1 및 제2 구성예와 마찬가지의 구성이지만, 전술한 바와 같이, 도 20 및 도 22에 도시한 바와 같은 색 필터(125)를 더 구비하고 있다. 통상, 동일 파장의 광(수광부(12F)에 대한 입사광)은 이미 알고 있는 바와 같이, 페르마의 원리(최소 작용 원리)에 따라서, 최단의 광학 거리인 고유의 광로(일의적으로 결정된 최소 광로)를 찾아가서 측정물의 측정면을 향해 진행·입사한다. 또한, 거기서 반사 후의 반사광은, 다시 최단의 광학 거리인 입사광과 동일 광로(최소 광로)를 찾아가서 동일 방향 등으로 되돌아간다고 하는 것이 기본 원리이다(광의 가역성).
본 개시의 본 구성예에서는, 이 원리를 이용한다. 이에 의해, 정규 입사광은, 정규 반사광이 되고, EVS(122)의 각 화소열에 입사한다. 즉, RGB의 각 색의 정규 반사광은, 동일한 RGB의 색 필터(125)(즉, 필터 R, 필터 G, 필터 B)를 구비한 3분할 영역에 있어서, 대응하는 동일 파장 에어리어에 입사해 갈 수 있다. 색 필터(125)에 대해서는, 수광부(12)를 수용하는 하우징(14)(도 20 참조) 내에 고정시킴으로써, 수광 기능부로서 유닛화 또는 모듈화시키는 것이 가능하다. 또한, 색 필터(125)가 얇은 필름형의 것이면, 렌즈(121)에 직접 첩부해도 된다.
또한, 색 필터(125)의 파장 투과 특성을 보다 효과적으로 발휘시키고, 효과적인 정규 반사광의 도입 기능을 확실화시키기 위해서, 색 필터(125)의 직후 렌즈(121)에는, 각 색 필터 부분을 투과한 광이 그대로 화소열에 관하여 동일한 화소로 진행시키기 위해서, 콜리메이트 기능이 높은 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 셀폭(등록상표) 렌즈나 콜리메이터 등이 가능하다. 이에 의해, 예를 들어 색 필터(125)의 필터 B에 입사하여 투과하는 B 성분의 복귀광은, 그대로 콜리메이트광으로서 렌즈(121)를 투과 후, EVS(122)의 화소열 내의 깊이(X) 방향에 관한 화소에 대하여 위치를 어긋나게 하지 않고 대응하는 화소 부분으로 입사해 갈 수 있다. 다른 색 성분(R 성분 및 G 성분)의 복귀광에 대해서도, 색 필터(125)에 의해 마찬가지의 작용이 얻어진다.
[작용 및 효과]
따라서, 본 구성예에 의하면, 도 20 및 도 22에 도시한 바와 같이, 광원부(11H)로부터 출사·분광되고 측정물(100)로 투광된 RGB 각 파장의 광은, 측정면(100A)에서 반사하고, 그 후, 색 필터(125)로 입사한다. 도 21에 도시한 바와 같이, 광원부(11H)로부터 출사하는, 380 내지 760㎚의 레이저광인 RGB로 분광된 슬릿광은, 각각 측정면(100A)에서 반사한다. 거기에서 반사 후의 각 반사광 중 정규 반사광은, 다른 반사광에 비하여 최단의 광학 거리가 되는 최단 경로를 찾아가서 색 필터(125)의 방향으로 되돌아간다.
색 필터(125)에 입사한 RGB의 각 정규 반사광은, 이 색 필터(125)에 있어서, 동일한 색 성분의 에어리어에 입사하는 것 이외에, 다른 색 성분 에어리어로 입사할 가능성도 있다. 그러나, 만일, 예를 들어 B광 αB가 필터 B와는 다른 색 성분 의에어리어(즉, 필터 R, 필터 G)로 입사하였다고 해도, 이들 에어리어 필터 R 또는 필터 G에서 흡수되어버린다. 따라서, R광이나 G광에 대응하는 화소에 입사하는 일은 없다. 이와 같이 하여, 필터 B를 투과한 B 성분의 반사광만이, 이 필터 B와 대응하는 특정 화소에 입사해 갈 수 있다. 이러한 점에서, RGB의 정규 반사광에 대해서는, 가령, RGB색 성분이 다른 복귀광이 미광이 되어 다른 RGB 에어리어로 잘못 찾아 들어오더라도, 색 필터(125)를 투과하지 않고 흡수된다.
따라서, 제5 구성예에 의하면, 각 화소열에 있어서의 각 화소에는, 그 화소 각각에 대응한, 측정면의 특정한 에어리어로부터의 정규 반사광만을 입사시킬 수 있다. 이 때문에, 측정 면 내의 다른 에어리어의 형상에 관한 데이터가 혼입될 우려가 없어, 정확한 형상 측정을 행하는 것이 가능해진다. 게다가, 각 반사면에서 반사하여 입사하는 반사광에는, 정규 반사광을 사용하여 화상 정보를 생성한다. 따라서, 측정면의 요철 차가 큰 형상이어도, 정확한 측정면의 형상을 생성시킬 수 있다.
즉, 본 개시에 따른 제5 구성예에서도, 전술한 구성예와 마찬가지로, 광원부(11H)로부터 프리즘(116)으로 분광되고, 각각 다른 광로를 진행하여 측정물(100)의 측정면(100A)에서 반사·산란하는 RGB의 각 반사광(산란광)은 수광부(12F)를 향해 최단 경로를 찾는 각 반사광이, RGB에서의 정규 반사광으로서 수광부(12F)에 입사한다. 한편, 본 구성예에서도, 측정면(100A)에서 반사·산란한 후에, 다른 부위에서 반사하거나 하여 다른 광로를 둘러싸서 수광부(12F)에 입사하는 반사광(2차 반사광)도 있을 수 있다. 만약 이와 같은 반사광이 있었다고 해도, 앞의 구성예와 마찬가지로, RGB의 각 화소 에어리어(122)에 있어서, 각각 도입하는 반사광 중, 정규 반사광으로부터 얻는 데이터는 일의의 것이다. 이러한 점에서, RGB의 각 화소 에어리어(122)에 있어서, 이 데이터와는 다른 데이터를 생성하는 2차 반사광에 관련된 불필요 신호가, 그 후, 불필요 신호 제거부(132)로 제거할 수 있다.
이와 같이, 본 구성예에 의하면, 2차 반사광에 대해서는, 색 필터(125)에 의해 정규 반사광에 대한 작용과 마찬가지의 작용에 의해, 동일한 색 성분의 에어리어로 동일한 색 성분의 2차 반사광의 투과가 허용되어버릴 우려가 있다. 그런데, 이 2차 반사광으로부터 불필요 신호가 생성되어도, 상술한 바와 같이, 신호 처리 유닛(13)의 불필요 신호 제거부(132)로 이 신호를 제거할 수 있다. 그 결과, RGB의 각 화소 에어리어(122)에 있어서, 다른 RGB로부터의 광이며 또한 오데이터를 초래할 우려가 있는 2차 반사광이, EVS(122)로 침입하여도, 이것을 효과적으로 제거할 수 있다.
이상, 본 개시에 따른 형상 측정 시스템의 각 실시 형태 및 각 구성예에 대하여 설명해 왔다. 마지막으로, 상술한 각 실시 형태 및 각 구성예의 설명은 본 개시의 일례이며, 본 개시는 상술한 실시 형태 및 각 구성예로 한정되지는 않는다. 이 때문에, 상술한 각 실시 형태 및 각 구성예 이외라도, 본 개시에 따른 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위이면, 설계 등에 따라서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다. 또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이지 한정되는 것은 아니다. 또한, 그 밖의 효과가 있어도 된다.
또한, 상술한 실시 형태 및 각 구성예에 있어서의 도면은, 모식적인 것으로, 각 부의 치수 비율 등은 현실의 것과는 반드시 일치하지 않는 경우도 있다. 또한, 도면 상호간에 있어서도, 서로의 치수 관계나 비율이 다른 부분이 포함되는 것은 물론이다. 또한, 상술한 실시 형태 및 각 구성예에 있어서 설명한 측정광의 광파 의 진동 상태에 대해서는, 마찬가지의 효과를 얻어질 수 있는 것이면, 원편광, 타원편광, 직선편광 등의 각종 양태의 것이 적용 가능하다.
또한, 본 개시의 형상 측정 시스템은, 전술한 양, 예를 들어 공장 내 등에서 차례차례로 송출되어 오는 다수의 제품에서의 각 형상 측정 등에 특별히 한정하여 적용되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 것은, 정적인 또는 동적인 단일의 대상물이나 특정한 대상 에어리어를 관측·감시·측정하고 있을 때의, 시간적인 변화를 파악하기 위하여 사용해도 된다. 예를 들어 역 구내에서의 감시용 카메라, 주차장 내의 카메라, 또는 차량 탑재용 카메라 등과 같은 정점 관측·감시용 시스템 등으로서의 적용도 가능해진다.
<3. 본 개시가 취할 수 있는 구성>
또한, 본 개시는, 이하와 같은 구성을 취할 수도 있다.
(1) 측정광을 측정 대상으로 출사하는 광원부와,
상기 측정 대상으로부터 반사되는 상기 측정광의 반사광을 수광하는 수광부와, 상기 측정 대상에서 반사되고 상기 수광부에 입사한 상기 반사광으로부터 발생하는 이벤트 데이터에 의해, 상기 측정 대상의 3차원 형상을 산출하는 3차원 형상 연산부 및 상기 반사광 이외의 불필요한 광이 외부로부터 상기 수광부에 입사하여 생성되는 불필요 신호를 제거하는 불필요 신호 제거부를 갖는 신호 처리부와,
상기 광원부 또는 상기 측정 대상을 이동시킴으로써, 상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 투광하는 상기 측정광으로 소인하여 상기 측정 대상을 주사하는 스캔 기구
를 구비하는, 형상 측정 시스템.
(2) 상기 스캔 기구는, 상기 광원부에 마련되어 있고,
상기 광원부는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광의 파형 제어를 행하는 파형 제어 렌즈를 구비함과 함께,
상기 수광부는, 수광 렌즈와, 상기 반사광 중 상기 수광 렌즈를 투과하는 반사광의 시간적인 변화를 파악하여 이벤트 신호를 출력하는 비동기형의 촬상 소자인 EVS(Event-based Vision Sensor)와, 상기 EVS로부터의 출력 데이터에 기초하여 이벤트를 검출하여 이벤트 데이터를 출력하는 이벤트 발행부와, 상기 이벤트 데이터를 상기 신호 처리부로 출력하는 송신부를 구비하는, 상기 (1)에 기재된 형상 측정 시스템.
(3) 상기 광원부는 단일이며,
상기 수광부로서, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 제1 수광부 및 제2 수광부를 구비하는, 상기 (2)에 기재된 형상 측정 시스템.
(4) 상기 광원부로서, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 제1 광원부 및 제2 광원부를 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 신호 처리부는, 화소열마다 시분할한 시간 간격으로 제어 신호를 상기 각 스캔 기구로 출력하는 제어 신호 송신부를 구비하는, 상기 (2)에 기재된 형상 측정 시스템.
(5) 상기 광원부로서, 제1 파장의 광을 출사하는 제1 광원을 구비한 제1 광원부와, 제2 파장의 광을 출사하는 제2 광원을 구비한 제2 광원부를 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 EVS는, 화소열 단위로 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 2분할된 2분할 영역으로 구성함과 함께,
상기 제1 분할 영역은, 상기 광원으로부터 출사되는 서로 다른 2종류의 파장의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사되는 제1 파장의 광과 제2 파장의 반사광 중, 제1 파장의 상기 반사광을 선택적으로 투과시키는 제1 파장 투과 특성을 갖는 제1 필터를 구비함과 함께,
상기 제2 분할 영역은, 상기 반사광 중, 상기 제2 파장의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 파장 투과성을 갖는 제2 필터를 구비하는, 상기 (2)에 기재된 형상 측정 시스템.
(6) 상기 제1 파장의 광은 청색 파장의 광이며,
상기 제2 파장의 광은 적색 파장의 광인, 상기 (5)에 기재된 형상 측정 시스템.
(7) 상기 광원부로서, 상기 제1 광원을 구비한 제1 광원부와, 제2 광원을 구비한 제2 광원부를 구비하고,
상기 제1 광원부는, 상기 제1 광원의 출사광으로부터 제1 편광면을 갖는 제1 측정광을 생성하는 제1 광학 소자를 구비하고,
상기 제2 광원부는, 상기 제2 광원의 출사광으로부터 제2 편광면을 갖는 제2 측정광을 생성하는 제2 광학 소자를 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 EVS는, 화소열마다 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 2분할되고,
상기 제1 분할 영역은, 상기 제1 측정광 및 상기 제2 측정광의 2종류의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사되고 상기 수광부에 각각 입사하는, 상기 제1 편광면을 갖는 제1 반사광 및 상기 제2 편광면을 갖는 제2 반사광 중, 상기 제1 반사광을 선택적으로 투과시키는 제1 필름을 구비하고,
상기 제2 분할 영역은, 상기 제2 반사광을 선택적으로 투과시키는 제2 필름을 구비하는, 상기 (2)에 기재된 형상 측정 시스템.
(8) 상기 제1 편광면은, 세로 방향으로 진동하는 직선 편광이며, 상기 제2 편광면은, 가로 방향으로 진동하는 직선 편광인, 상기 (7)에 기재된 형상 측정 시스템.
(9) 상기 광원부는 단일이며,
상기 광원부 내의 광원에는, 상기 광원으로부터의 광을, 적어도 3종류의 파장대로 분할하는 분할 수단을 구비하고,
상기 수광부는 단일이며,
상기 EVS는, 화소열 단위로 제1 분할 영역 내지 제3 분할 영역으로 3분할된 3분할 영역으로 구성하고,
상기 제1 분할 영역에는, 상기 광원으로부터 출사되는 서로 다른 3종류의 파장대의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제1 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제1 색 필터를 구비하고,
상기 제2 분할 영역에는, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제2 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제2 색 필터를 구비하고,
상기 제3 분할 영역에는, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제3 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제3 색 필터를 구비하는, 상기 (2)에 기재된 형상 측정 시스템.
(10) 상기 분할 수단은, 상기 광원으로부터의 백색광을 3종류의 파장대의 광으로 분할하는 프리즘으로 구성함과 함께,
상기 3종류의 파장대의 광은 적색 파장대의 광과, 녹색 파장대의 광과, 청색 파장대의 광인, 상기 (9)에 기재된 형상 측정 시스템.
(11) 상기 EVS는, 상기 반사광의 시간적 변화에 기초하는 신호 전압과 임계값 전압을 비교하고, 임계값 전압보다도 작거나 혹은 큰 것을 판정함으로써 이벤트 신호를 출력하는, 상기 (2)에 기재된 형상 측정 시스템.
1: 형상 측정 시스템
2: 스테이지(측정대)
3: 이동 기구(스캔 기구)
4: 제어부
10, 10A 내지 10E: 형상 측정 장치
11: 광원부
11A: 제1 광원부
11B: 제2 광원부
11D: 제1 광원부
11E: 제2 광원부
11F: 광원부
111: 광원: 반도체 레이저(LD)
111A: 제1 반도체 레이저(LD1)
111B: 제2 반도체 레이저(LD2)
111C: 제3 반도체 레이저(LD3)
111F: LD
112: 실린드리컬 렌즈(파형 형성 렌즈, 파형 제어 렌즈)
113: 스캔 기구
114: 제1 편광자(광학 소자)
115: 제2 편광자(광학 소자)
116: 프리즘
12, 12C, 12D, 12E, 12F: 수광부
12A: 제1 수광부
12B: 제2 수광부
121: 수광 렌즈
122, 122A, 122B: 비동기형(비주사형)의 촬상 장치(촬상 소자)(EVS, EVS1, EVS2)
123: 이벤트 발행부
124: 송신부
13: 신호 처리 유닛(신호 처리부)
131: 제어 신호 송신부
132: 불필요 신호 제거부
133: 3D 연산부
134: 메모리
21: 촬상부
211: 화소 어레이부
212: 구동부
213: 아비터부
214: 칼럼 처리부
215: 신호 처리부
210: 화소
41: 시스템 제어부
42: 이동 제어부
51: 광전 변환부
52: 화소 신호 생성부
53: 어드레스 이벤트 검출부
513: OFG 트랜지스터
531: 전류 전압 변환부
532: 버퍼
533: 감산기
534: 양자화기
535: 전송부
100: 측정물
100A: 측정면
A1, A2: 광축
BF: 청색 필터(제1 필터)
RF: 적색 필터(제2 필터)
FP: 세로 편광 필름(제1 필름)
FS: 가로 편광 필름(제2 필름)
FR: 필터 R(제1 필터)
FG: 필터 G(제2 필터)
FB: 필터 B(제3 필터)
H: 헤드
X: 깊이 방향
Y: 가로 방향
Z: 높이 방향
α: 입사광(측정광)
αR: 적색 입사광(R광)
αG: 녹색 입사광(G광)
αB: 청색 입사광(B광)
β: 반사광
β1: 반사광
β2: 반사광

Claims (11)

  1. 측정광을 측정 대상으로 출사하는 광원부와,
    상기 측정 대상으로부터 반사되는 상기 측정광의 반사광을 수광하는 수광부와,
    상기 측정 대상에서 반사되고 상기 수광부에 입사한 상기 반사광으로부터 발생하는 이벤트 데이터에 의해, 상기 측정 대상의 3차원 형상을 산출하는 3차원 형상 연산부 및 상기 반사광 이외의 불필요한 광이 외부로부터 상기 수광부에 입사하여 생성되는 불필요 신호를 제거하는 불필요 신호 제거부를 갖는 신호 처리부와,
    상기 광원부 또는 상기 측정 대상을 이동시킴으로써, 상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 투광하는 상기 측정광으로 소인하여 상기 측정 대상을 주사하는 스캔 기구
    를 구비하는, 형상 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캔 기구는, 상기 광원부에 마련되어 있고,
    상기 광원부는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광의 파형 제어를 행하는 파형 제어 렌즈를 구비함과 함께,
    상기 수광부는, 수광 렌즈와, 상기 반사광 중 상기 수광 렌즈를 투과하는 반사광의 시간적인 변화를 파악하여 이벤트 신호를 출력하는 비동기형의 촬상 소자인 EVS(Event-based Vision Sensor)와, 상기 EVS로부터의 출력 데이터에 기초하여 이벤트를 검출하여 이벤트 데이터를 출력하는 이벤트 발행부와, 상기 이벤트 데이터를 상기 신호 처리부로 출력하는 송신부를 구비하는, 형상 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원부는 단일이며,
    상기 수광부로서, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 제1 수광부 및 제2 수광부를 구비하는, 형상 측정 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광원부로서, 서로 위치를 어긋나게 하여 설치한 제1 광원부 및 제2 광원부를 구비하고,
    상기 수광부는 단일이며,
    상기 신호 처리부는, 화소열마다 시분할한 시간 간격으로 제어 신호를 상기 각 스캔 기구로 출력하는 제어 신호 송신부를 구비하는, 형상 측정 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광원부로서, 제1 파장의 광을 출사하는 제1 광원을 구비한 제1 광원부와, 제2 파장의 광을 출사하는 제2 광원을 구비한 제2 광원부를 구비하고,
    상기 수광부는 단일이며,
    상기 EVS는, 화소열 단위로 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 2분할된 2분할 영역으로 구성함과 함께,
    상기 제1 분할 영역은, 상기 광원으로부터 출사되는 서로 다른 2종류의 파장의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사되는 제1 파장의 광과 제2 파장의 반사광 중, 제1 파장의 상기 반사광을 선택적으로 투과시키는 제1 파장 투과 특성을 갖는 제1 필터를 구비함과 함께,
    상기 제2 분할 영역은, 상기 반사광 중, 상기 제2 파장의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 파장 투과성을 갖는 제2 필터를 구비하는, 형상 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광은 청색 파장의 광이며,
    상기 제2 파장의 광은 적색 파장의 광인, 형상 측정 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광원부로서, 상기 제1 광원을 구비한 제1 광원부와, 제2 광원을 구비한 제2 광원부를 구비하고,
    상기 제1 광원부는, 상기 제1 광원의 출사광으로부터 제1 편광면을 갖는 제1 측정광을 생성하는 제1 광학 소자를 구비하고,
    상기 제2 광원부는, 상기 제2 광원의 출사광으로부터 제2 편광면을 갖는 제2 측정광을 생성하는 제2 광학 소자를 구비하고,
    상기 수광부는 단일이며,
    상기 EVS는, 화소열마다 제1 분할 영역과 제2 분할 영역으로 2분할되고,
    상기 제1 분할 영역은, 상기 제1 측정광 및 상기 제2 측정광의 2종류의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사하고 상기 수광부에 각각 입사하는, 상기 제1 편광면을 갖는 제1 반사광 및 상기 제2 편광면을 갖는 제2 반사광 중, 상기 제1 반사광을 선택적으로 투과시키는 제1 필름을 구비하고,
    상기 제2 분할 영역은, 상기 제2 반사광을 선택적으로 투과시키는 제2 필름을 구비하는, 형상 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 편광면은, 세로 방향으로 진동하는 직선 편광이며,
    상기 제2 편광면은, 가로 방향으로 진동하는 직선 편광인, 형상 측정 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 광원부는 단일이며,
    상기 광원부 내의 광원에는, 상기 광원으로부터의 광을, 적어도 3종류의 파장대로 분할하는 분할 수단을 구비하고,
    상기 수광부는 단일이며,
    상기 EVS는, 화소열 단위로 제1 분할 영역 내지 제3 분할 영역으로 3분할된 3분할 영역으로 구성하고,
    상기 제1 분할 영역에는, 상기 광원으로부터 출사되는 서로 다른 3종류의 파장대의 측정광 중, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제1 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제1 필터를 구비하고,
    상기 제2 분할 영역에는, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제2 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제2 필터를 구비하고,
    상기 제3 분할 영역에는, 상기 측정 대상에서 반사해 오는 3종류의 파장대의 반사광 중, 제3 파장대의 반사광을 선택적으로 투과시키는 파장 투과 특성을 갖는 제3 필터를 구비하는, 형상 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분할 수단은, 상기 광원으로부터의 백색광을 3종류의 파장대의 광으로 분할하는 프리즘으로 구성함과 함께,
    상기 3종류의 파장대의 광은 적색 파장대의 광과, 녹색 파장대의 광과, 청색 파장대의 광인, 형상 측정 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 EVS는, 상기 반사광의 시간적 변화에 기초하는 신호 전압과 임계값 전압을 비교하고, 임계값 전압보다도 작거나 혹은 큰 것을 판정함으로써 이벤트 신호를 출력하는, 형상 측정 시스템.
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