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技術 3次元形状測定用光学システム

出願人 富士通株式会社
発明者 柿木義一中島雅人肥塚哲男平岡規之塚原博之須藤嘉規
出願日 1988年6月14日 (32年3ヶ月経過) 出願番号 1998-332533
公開日 1999年8月10日 (21年1ヶ月経過) 公開番号 1999-218416
状態 特許登録済
技術分野 光学的手段による測長装置
主要キーワード 輝度イメージ 両電流値 計測速度 ビーム照射点 直線走査 測定電流値 傾斜角β 結像ビーム
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年8月10日)のものです。
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図面 (13)

課題

高速かつ簡単に3次元形状の計測を可能ならしめる光学系を実現する。

解決手段

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)とを有する。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、その偏向光反射して被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡(27)とを有する。

概要

背景

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欠け浮き上がり等)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。

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。

概要

高速かつ簡単に3次元形状の計測を可能ならしめる光学系を実現する。

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)とを有する。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、その偏向光反射して被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡(27)とを有する。

目的

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。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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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、その偏向光反射して被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡(27)とを有することを特徴とする3次元形状測定光学ステム

技術分野

0001

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計測する装置の光学ステムに関する。

背景技術

0002

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欠け浮き上がり等)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。

0003

図11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。

発明が解決しようとする課題

0004

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。

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。

課題を解決するための手段

0006

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、その偏向光反射して被計測物にビームを垂直に入射する放物面鏡(27)とを有することを構成上の特徴とする。

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。

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。

0009

第2光検出器の手前には被計測物上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。

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、
ID=000003HE=015 WI=030 LX=1350 LY=1800
で表される。

0011

第2PSDの出力をΔIとした時に、第1PSD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。
ID=000004HE=015 WI=042 LX=1290 LY=2150

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 :Ie ,If とした時、被計測物の高さ情報は次式で与えられる。
ID=000005HE=015 WI=086 LX=0620 LY=0300

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。

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。

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。

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光検出器の出力値演算補正値として利用することが出来る。

0017

また、第1PSDの両側に第2、第3のPSD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。

発明を実施するための最良の形態

0018

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、対応する部品図1と同一番号で示し、重複説明を省略する。

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L4 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。

0020

被計測物50の近傍に配置されるミラー29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M3 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。

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。

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。

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 Detector)を用いることが出来る(例えば、浜松ホトクス(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。

0024

図5に示す如く、PSD35の2つの出力端子出力電流を夫々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。
ID=000006HE=015 WI=070 LX=0250 LY=0600
光強度= 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。

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。

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。

0028

また、再結像レンズ33の焦点距離及びPSD35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。

0029

図6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。

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CPU59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。

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。

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。

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Ia ,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 ,I2 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。
ID=000007HE=030 WI=100 LX=0550 LY=2300

0034

一方、真の高さは、
ID=000008HE=015 WI=100 LX=0550 LY=0300
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)。

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。

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50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。

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。

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。

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。

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。

0041

図8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。

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2PSD35Bの出力の和信号増幅器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。

0043

PSD35Aの和信号から第2PSD35Bの増幅和信号を減算器73により減算し、除算回路75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、
ID=000009HE=015 WI=086 LX=0620 LY=2050
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。

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2PSD35B、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。

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。

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1PSD35A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。

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 :Ie ,If は夫々、第1PSD35A、第2PSD35B、第3PSD35Cの出力を示す。
ID=000010HE=015 WI=086 LX=0620 LY=0300
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。

発明の効果

0048

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。

図面の簡単な説明

0049

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。
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。
図3本発明の光学システムの一実施例を示す図。
図4図3に示す光学系の計測原理を説明する図。
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。
図6画像処理回路概要を示すブロック図。
図7本発明の別の実施例を示す図。
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。
図9図7の更に別の実施例を示す図。
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。
図11従来の光切断法による高さ測定方法を示す図。
図12図11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。

--

0050

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

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