JPH01105105A

JPH01105105A - 形状計測装置

Info

Publication number: JPH01105105A
Application number: JP26323587A
Authority: JP
Inventors: Giichi Kakigi; 柿木　義一; Masahito Nakajima; 雅人中島; Tetsuo Hizuka; 哲男肥塚; Hiroyuki Tsukahara; 博之塚原; Noriyuki Hiraoka; 平岡　規之
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1987-10-19
Publication date: 1989-04-21

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】〔概　要〕三次元の形状計測装置に係り、特に金属等からなる光沢
性の強い物体表面の傾きを光学的に非接触で計測する形
状計測装置に関し、より簡便な構成で、物体面の傾きのより高速な計測が可
能な形状計測装置を提供することを目的とし、物体をスポット照明する照明手段と、該スポット照明光
に基づく物体からの反射光を結像させるスクリーンと、
該スクリーン上の結像点の位置を計測する撮像手段と、
該位置計測データから物体面の１頃きを求める演算手段
とを具えて構成される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は三次元の形状計測装置に係り、特に金属等から
なる光沢性の強い物体表面の傾きを光学的に非接触で計
測する形状計測装置に関するものである。

物体表面の形状特にその傾きを計測することは、例えば
各種の機械的加工を施した場合に、その加工表面の形状
が予定されたものとなっているか否かを確認する場合等
において必要となるものである。

このような物体の形状計測に当っては、簡単な構成で非
接触でかつ高速に計測し得るものであることが要望され
る。

〔従来の技術〕

物体の傾きや姿勢を非接触で測定する方法は、従来から
多く提案されている０例えば電気学会論文１９８６年４
月、６ｌ−Ｃ２Ｆ三次元姿勢計測による実装部品検査技
術」においては、レーザスリットビームを用いた光切断
法による、物体表面の傾き計測方法が述べられている。

また、電気学会論文１９８４年１１月、５９−Ｃ３３ｒ
回転照明法を用いた三次元物体の形状針側」においては
、照明装置を回転させて物体表面の輝度の変化から、物
体面の傾きを求める方法が記載されている。さらに、電
子情報通信学会、パターン認識・理解技術研究報告、　
ＰＲ０８６−１２９、ｒ距離画像の入力と処理」におい
ては、これまでに発表された多くの方式の要約がなされ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように物体面の傾きを計測する形状計測装置として
は、従来多くの方式が提案されているが、いずれも装置
構成が複雑であるとともに、測定の手順も煩雑であって
計測に多くの時間を必要とし、計測結果の実時間の出力
は困難であるものが多かった。

本発明はこのような従来技術の問題点を解決しようとす
るものであって、従来の各方式と比較してより簡便な構
成で、物体面の傾きのより高速な計測が可能な形状計測
装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理的構成を示したものであって、照
明手段１．スクリーン２．撮像手段３゜演算手段４を具
えて構成されている。

照明手段１は、被計測物体の表面をスポット照明するも
のである。

スクリーン２は、照明手段１のスポット照明光に基づく
物体表面からの反射光を結像させるものである。

撮像手段３は、物体からの反射光に基づいて生じるスク
リーン２上の結像点の位置を計測するものである。

演算手段４は、撮像手段３において得られた位置針側デ
ータから演算を行って物体面の傾きを求めるものである
。

〔作　用〕

第２図は本発明の詳細な説明する図である０図示されな
いレーザからの平行ビーム光は、集光レンズ１１を経て
収束されミラー１２を経て反射して、計測対象物体１３
に対して垂直に照射される。物体１３の上部にはスクリ
ーン１４を設ける。スクリーン１４は白紙やすりガラス
等の光を散乱するとともに透過する材料からなる板状の
ものを用いる。従ってレーザスポットビームに基づく物
体１３表面からの反射光のスペックルパターンがスクリ
ーン１４の面に投影される。この場合における投影位置
は、物体１３表面の傾きに依存して変化する。

スクリーン１４の上方にレンズ１５を設け、スクリーン
１４上の像を２次元ＰＳＤセンサ（光位置検出素子＞　
１６によって撮像する。２次元ＰＳＤセンサ１６は、受
光点のＸＹアドレスをアナログ信号として出力するもの
であって、光点が複数の場合やある広がりを有する場合
には、その平均位置を出力する。

このようにしてＰＳＤセンサ１６から得られた位置信号
から、物体面の傾き角を求めることができる。

第３図は傾き角の計算方法を説明する図である。

第３図においては、簡単のため１次元方向の傾きを求め
る場合を説明しているが、実際にはこれを２次元に拡張
して面の傾きを求める。

第３図において計測面の傾きをθとすると、垂直に照射
されたビームの反射光は、図示のように垂直面から２０
の傾きを有している。いま物体の高さはスクリーン面の
高さより充分小さいとする。

物体からスクリーンまでの距離をｌとすると、スクリー
ン面上の光点の位置χは次式によって求められる。

χ＝　（ｌ　ｔａｎ　　２θ　　　　　　　　　　　　
　　　　　・（１）スクリーン上の結像点の位置はＰＳ
Ｄカメラによって求められるので、これから物体面の傾
きθを計算することができる。

本発明における計測対象物体は、その表面が金属等の光
沢性の良いものであることが必要である。

この場合はその表面において、照射光によって強い反射
光が生じるので、これをスクリーンに投影することによ
って結像位置から傾きの計測を行うことができる。実際
には反射光が１点に結像されず、ある広がりを持つ場合
や、表面の微小凹凸に基づくランダムな反射光点のパタ
ーンであるスペックルパターンを形成する場合があるが
、これらの場合は投影された反射光の平均位置を求める
ことによって、正しく処理を行うことが可能である。

〔実施例〕

第４図は本発明の一実施例を示している。同図において
、２１はレーザユニット、ηはビームエクスパンダ、詔
はレンズ、２４はミラー、５はＸＹステージ、２Ｇはス
クリーン、２７は２次元ＰＳＤカメラ、２８はアナログ
ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２９はマイクロコンピュ
ータ、３０はステージコントローラ、３１Ａ、３１Ｂ、
３１Ｇ、３１Ｄは横スクリーンである。

第４図において図示省略されているが、被計測物体はＸ
Ｙステージ怒上に載置されている。レーザユニット２１
から発生したレーザビームは、ビームエクスパンダ２２
を経て拡大され、レンズ詔を経て収束され、ミラー２４
を経て反射されて、ＸＹステージδ上の被計測物体上の
所要の点に照射される。

物体からの反射光はスクリーン２６上に投影されて、そ
の面にスペックルパターンを形成する。２次元ＰＳＤカ
メラｒは、スクリーン妬上の像を撮像してアナログ信号
からなるそのＸＹアドレスを出力する。Ａ／Ｄ変換器四
はこれをディジタル信号に変換し、マイクロコンピュー
タ２９に入力する。

マイクロコンピュータ２９は（１）式の関係によって物
体面の傾きを求めて、それを表す出力を発生する。

さらにマイクロコンピュータ２８は、演算終了ごとにス
テージコントローラ３０に指令を出力し、これによって
ステージコントローラ３０はＸＹステージ２５を制御し
てその位置を微小変位させる。このようにして物体を連
続的に移動させて傾きを求めることによって、物体の面
の形状を求めることもできる。

このようにしてスクリーン２６のみを用いて計測を行う
場合は、計測可能な物体面の傾きは水平に近い、例えば
Ｏ°〜２０”程度の範囲に限られる。

さらに傾斜角が大きい物体の計測を行う場合は、横方向
にもスクリーンとＰＳＤカメラを設けることが必要であ
る。第４図において、スクリーン３１Ａ、３１Ｂ、３１
Ｃ，３１Ｄはこのような目的から設けられた横スクリー
ンを示し、図示省略されているが、各横スクリーンに対
応して、それぞれそのスクリーン面を撮像可能なＰＳＤ
カメラが設けられている。従って第４図の構成によれば
、面の傾きが大きい場合を含むあらゆる形状の物体面の
傾きの計測を行うことができる。

第５図は本発明の応用例を示し、チップ部品の半田検査
に用いた場合を例示している。同図においては、基板３
１上に設けられた導体箔ｎに対し、チップ部品３３を半
田３４．３４によって半田付けした場合における半田量
の正常または不足を検査する際に、本発明装置を通用す
ることが示されている。

すなわちレーザビームを半田３４の面に照射し、面の傾
きを計測することによって、正常な場合３４Ａと不足の
場合３４Ｂとを判別することができる。なお半田面の傾
きは通常比較的大きいので、第４図において説明した横
スクリーンを用いることが必要になる場合が多いと思わ
れる。

第６図は本発明の他の実施例を示したものである。同図
において４１は半球状スクリーン、４２はスクリーンの
中心に設けられた孔、４３．４３°はレンズ、４４．４
４’　はＰＳＤカメラである。

第６図の場合、レーザビームは孔４２を通じて半球状ス
クリーン４１内の中央部に置かれた被計測物体に照射さ
れる。物体表面からの反射光によってスクリーン４１の
面に反射光点が投影される。その像はレンズ４３または
４３°を経て、ＰＳＤカメラ４４または４４”において
撮像される。

この場合も半球状スクリーン４１上の反射光の結像点の
位置によって、被計測物体面の傾きを知ることができる
。この場合１個のレンズとＰＳＤカメラのみによっては
、半球状スクリーン４１上のすべての結像点を撮像する
ことは不可能であり、適当な組数のレンズとＰＳＤカメ
ラとを、半球状スクリーン４１の周囲に配置する必要が
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、レーザスポット照
射系とスクリーンおよびＰＳＤカメラを具えることによ
って、簡単な構成で物体の傾きを計測することが可能と
なる。またＰＳＤカメラからは光位置信号が実時間で出
力され、これに対して簡単な演算で傾きを示す出力を得
ることができるので高速に、傾き計測を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構成を示す図、第２図は本発明
の詳細な説明する図、第３図は傾き角の計算方法を説明する図、第４図は本発
明の一実施例を示す図、第５図は本発明の応用例を示す図、第６図は本発明の他の実施例を示す図である。２１・・・レーザユニット２２・・・ビームエクスパンダ詔・・・レンズ２４・・・ミラー怒・・・ＸＹステージ妬・・・スクリーン２７・・・２次元ＰＳＤカメラ舘・・・アナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２９・・
・マイクロコンピュータ３０・・・ステージコントローラ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｄ・・・横スクリーン４
１・・・半球状スクリーン４２・・・孔招、４３°・・・レンズ４４、４４°・・・ＰＳＤカメラ

Claims

【特許請求の範囲】物体をスポット照明する照明手段（１）と、該スポット
照明光に基づく物体からの反射光を結像させるスクリー
ン（２）と、該スクリーン（２）上の結像点の位置を計測する撮像手
段（３）と、該位置計測データから物体面の傾きを求める演算手段（
４）とを具えてなることを特徴とする形状計測装置。