JPH01308905A

JPH01308905A - 半導体位置検出器による形状高速測定方法と形状高速認識装置

Info

Publication number: JPH01308905A
Application number: JP9793588A
Authority: JP
Inventors: Masato Ozawa; 正人小沢; Akihiko Nakamura; 明彦中村; Masahiro Isoda; 将博磯田
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1989-12-13

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］本発明は測定対象物の非接触検査技術に係り、半導体装
置検出器による形状高速測定方法と形状高速認識装置に
関するものである。

［従来の技術］従来より、鉄鋼プラントにおける高温・高速度走行物体
の形状認識や、機械工業や電気工業での傷つきやすい物
体の寸法或は変位量の計測等、多くの産業分野において
、非接触で、高精度且つ高速応答が可能な距離センサが
要求されている。そこで、この種の非接触式距離センサ
としては、殊に急激な光デバイスの進歩により、光学式
距離センサとしてレーザ光を用いた三角測量方式のレー
ザ距離センサが実用化されており、このレーザ距離セン
サを使った三角測量方式による各種計測装置が開発され
ている。

上記レーザ距離センサとしては、第７図に示すように、
小型で高出力の半導体レーザ５０と、高分解能で高速応
答性を有する半導体装置検出器５１　（Ｐｏ５ｉｔｉｏ
ｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）を組合わせた
ものが知られており、投光レンズ５３によって集光した
半導体レーザ５０からの投射光を、測定対象物ａ上に小
さなスポット光ｆ１として照射し、この測定対象物ａか
らの反射光ｆ２を、受光レンズ５４により半導体装置検
出器５１の受光面上の一点に集光する構造になっている
。こうして半導体装置検出器５１上の集光スポットの変
位によって測定対象物ａまでの距離を求めることができ
る。

［発明が解決しようとする課題］しかし上記従来の技術では、光スポットをできるだけ細
く絞った状態で点検出しな方が高精度に検出することが
できるものであるが、ある程度広い面積をもった平面を
測定するために、該光スポットによって面を走査するに
は光スポットが小さい程、計測に長時間を要する問題を
有していた。

例えば、電気基板上にパターンを描画する場合、あらか
じめ基板の凹凸を測定すると同時にその結果を描画ヘッ
ドにフィードバックして、該描画ヘッドを上下に駆動す
ることにより基板と描画ノズルの距離を一定に保持する
必要があるが、この場合は上記のように光スポット１点
で測定した高さ測定点は測定の都度被測定側の基板を移
動台（Ｘ−Ｙテーブル）により移動させて走査測定しな
くてはならず、５Ｃ１１四方の基板を１００μｍの光ス
ポットで隙間なく走査測定すると、約４分もの測定時間
を要していた。

本発明は上記間圧に鑑みてなされたものであり、測定対
象物の表面検査に於いて、測定時間を短縮し且つ高精度
の測定を実施することができる半導体装置検出器による
形状高速測定方法を提唱することを目的とすると共に、
その測定方法を実施するための形状高速認識装置を提供
することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明に係る半導体装置検出器による形状高速測定方法
は、測定対象物に照射した光スポットの反射光を半導体
装置検出器の受光面に集光して、三角測量の演算によっ
て該測定対象物の照射面の高さを計測する方法において
、上記測定対象物に照射する光スポットを光束位置変更
手段を介して、該測定対象物面上において走査移動せし
めると共に、該各走査移動ステップごとに上記半導体装
置検出器からの出力値を読み込み、これに所定の演算を
加えた出力値群を計測値とすることを要旨とするもので
ある。

また、上記方法を具体化する構造としては、光源と上記
測定対象物間との光束上に、該測定対象物面上に照射す
る光スポットを走査移動する光束位置変更手段を介挿す
ると共に、上記半導体装置検出器の後段に該各走査移動
ステップごとに出力値を読み込み、これに所定の演算を
加える同期演算回路を構成することができる。

［作用］本発明の原理は第１図に示すように、半導体レーザ１か
らの投射光を投光レンズ群２．３によって集光して、測
定対象物ａ上に小さな光スポットｆ１として照射し、こ
の測定対象物ａからの反射光ｆ２を、受光レンズ６によ
り二次元ＰＳＤ７　（以下ＰＳＤ７と称する）の受光面
上の一点に集光する構造にすると共に、上記投光レンズ
群２，３の近傍の光軸上に光束位置変更手段４を構成す
るものである。ここで測定対象物ａが破線で示すａ１位
置に変位すると、受光レンズ６への入射光ｆ２角度が変
化するため、ＰＳＤＴ上の集光スポットは対象物ａの変
位（ＬＩ　　Ｌ２）に比例して移動するので、ＰＳＤ７
上の集光スポットの位置が判れば測定対象物ａまでの距
離しを求めることができる。

第１図に示すように、距離りは八Ｄ＝投受光部間の距離Ｆ：受光レンズ６とＰＳＤ７間の距離また、第２図は半導体装置検出器（−次元ＰＳＤ）の断
面説明図であり、両面が均一な抵抗層により形成されて
おり、抵抗層の両端に信号取り出し用の一対の電極Ａ、
Ｂが設けられて、光電効果により光電流を生成する。画
電極Ａ、Ｂの距離をｊ、抵抗を恥とし、電極Ａより光の
入射位置までの距離をＸ、その部分の抵抗をＲｘとする
。

光の入射位置で発生した光生成電流ＩＯは、それぞれの
電極までの抵抗値に逆比例するように分割され、取り出
される電流Ｉａ、Ｉｂは抵抗層は均一であり、長さと抵抗値が比例するとすれば
、（２１式は次のようになる。

（３１式よりとして求められ、（１）式によってＬが求められる。

上記方法及び構造によれば、光束位置変更手段によって
測定対象物に照射する光源からの光スポットを、一方向
に走査変位させると共に、他の方向より移動台を平行移
動させ、さらに一方向に走査変位して、順次このように
照射することができ、この照射面からの反射光によるＰ
ＳＤの出力を走査と対応して読み込みすることによって
、測定速度を高速化することができる。

［実施例］以下、本発明に係る半導体装置検出器による形状高速測
定方法を実施する形状高速認識装置の好ましい実施例を
図面に従って説明する。

第１図は、本発明の原理、を示す装置の光学系の第一の
実施例であり、光スポットの光源として例えば半導体レ
ーザ１を測定対象物ａとの光学的対向位置に設け、該半
導体レーザ１と測定対象物８間の光軸上に、光束を測定
対象物ａに対して照射制御するための二組の投光レンズ
群２．３を設けてなると共に、該両しンズ群２．３間に
光軸ど直交する光束位置変更手段４を介挿してなるもの
で、該光束位置変更手段４は、電子駆動制御手段５から
の制御信号によって、測定対象物ａに照射する点状に絞
った光束ｆ１を該測定対象物８面上で走査する構造にな
る。符号６は、測定対象物ａに照射した光束ｆ１の反射
光束ｆ２を受光する受光レンズであり、該受光レンズ６
の後方焦点位置に位置検出デバイスとしてＰＳＤ７を固
設してなる上記構成の光学系は第３図（ａ）に示すよう
に、半導体レーザ１から投射した光束を光束位置変更手
段４によって電気的に測定対象物ａ面をＹ方向に走査移
動するスポット光束ｆ　ｓ　　（ＣＨｌ　、　ＣＨ２・
・・ＣＨｎ　）に変更すると共に（第一の走査位置ｂ）
、測定対象物を載置した移動台Ａを−Ｘ方向に移動し、
前記第一の走査位置すに第二の走査位置Ｃをセット（第
３図（ｂ）　）　、次にＹ方向に走査移動して、その後
同様の走査を行うことにより第３図（ｅ）に示すように
走査される。また、第３図（ｃ）において、Ｗラインか
ら下方を測定する必要あるときは上記と同様の方法を繰
り返せばよい。

このようにしてスポット光束ｆ・１の反射光束ｆ２は受
光レンズ６を介してＰＳＤ７で位置検出され、後述する
方法によって演算処理し、測定対象物ａ面の高さ位置を
測定することができる。

ここで、第３図に示した光束変更手段４による走査方法
の他に、Ｘ方向に走査移動するスポット光束ｆ１に変更
すると共に、移動台Ａを−Ｙ力方向移動し、同様に順次
照射してもよい。

第４図（ａ）、（ｂ）は上記光学系の光束位置変更手段
４として、マトリックス状に並列した多数の液晶シャッ
タ一部９を、電子駆動制御回路５によって順次走査開口
するように構成した液晶シャツタ−８を設けた実施例を
示すものであり、（ａ＞図は部分斜視図、（ｂ）は（ａ
）図の断面説明図である。

第５図は、本発明の第一の実施例を示すものであり、前
記半導体レーザ１は、中央制御装置ＣＰＵに構成した発
光信号の出力ボート１１に半導体レーザ駆動回路１２を
介して接続され、所定のタイミングでレーザ光を照射す
る。また液晶シャッター８は液晶制御回路（液晶シャッ
ターコントローラ）１３を介して中央制御装置ＣＰＵの
出力ボート１４に接続しである。前記ＰＳＤ７は、例え
ば出力電流Ｉａ、Ｉｂをプリアンプ１５．１６を介して
アナログイッチ１７によって切り替え出力すると共に、
サンプルホールド回路１８及びアナクロ／デジタル変換
回路１つを介して中央制御袋’ＩＩ　ＣＰ　Ｕの入力ボ
ート２０に接続してなる。

符号２１は中央制御装置１ｆｃＰＵの入出力ボート２２
に接続したモード設定又はステータス表示等を入出力す
ると共に、測定値を表示するための出力表示部である。

上記構成の形状高速認識装置では、液晶シャッター８の
シャッタ一部９を、第４図（ｂ）に示すように光束ｆ１
の一部が透過するように走査移動して測定対象物ａに対
する光束ｆ、の照射位置を変更する構造になるため、各
照射位置におけるＰＳＤ７からの出力データを予め入力
しておいた数値データ＜Ｄ、Ｆ）を用いて処理演算して
それぞれの位置測定値を得ることができる。

即ち、上記走査速度は液晶シャッター８の応答速度によ
って決定されるようになるものであるが、機械的駆動機
構をもたないため、光束測定を可能にすることができる
ものである。

また上記の処理回路は、ＰＳＤ７からの出力がアナログ
スイッチの切り替えによって同一のアナログ回路を経由
せしめる構造になるため、信号値のバラつきを防ぐこと
ができる。出力信号は、アナログ部からＡ／Ｄ変換され
てデジタル部の中央制御袋ｚｃｐｕによって、三角測量
方式に従って演算され、距離情報を得ることができるも
のである。

なお、二次元ＰＳＤにおいて、ＸＩ、Ｘ２の他にｙｔ　
、Ｙ２に対して、同種のプリアンプ１５゜１６、アナロ
グスイッチ１７．サンプルホールド回路１８．アナログ
／デジタル変換回路１９を介して中央制御装置ＣＰＵの
入力ボート２０に接続する回路構成は省略しである。

次に、第６図は上記光学系の光束位置変更手段４の第二
の実施例を示すものである。

前記液晶シャッター８に替えて、振動部に光束ｆ１の反
射鏡２３を持つボイスコイル２５を配置したものであり
、ボイスコイル２５は、中央制御装置ＣＰＵの出力ボー
ト２７に対して接続したボイスコイル駆動回路２９を介
して接続してあり、反射鏡２３によって反射した光束ｆ
１の光スポットが測定対象物８面上で、走査するように
駆動してなる。さらに、ボイスコイル２５のコイル電流
を位置検出器３１、入力ボート３０を経て中央制御装置
＆ｃＰＵに出力すると同時にその結果をボイスコイル２
５にフィードバックして高精度の光束測定を可能として
いる。この他にリニヤスケールを用いて動いた量と検出
して所定の移動量にコントロールすることもできる。そ
の他の構成については第１の実施例と同様である。なお
、上記第一および第二実施例において、ＰＳＤ７の出力
端Ｘｒ　　Ｘ２　、Ｙ＋−Ｙ２の後段のプリアンプ、ア
ナログスイッチ、サンプルホールド回路、アナログ／デ
ジタル変換回路入力ボート、中央制御装置ＣＰＵ等のよ
うなもので同期演算回路を形成している。

また、上述したように、本発明を実施する光束位置変更
手段４は、液晶シャッター８又は反射鏡をボイスコイル
２５の振動部に配設した構造のものだけでなく、スポッ
ト状の光束を発する多数の半導体レーザを並列したもの
、発光部から導出する多数の光フアイバーケーブルの光
照射端を並設する等の構造によって走査構造としたもの
、回転ポリゴンミラー等の装置により光束角度を振って
変位せしめる構造にすることもできる。

尚、前記実施例ではＰＳＤ７を照射する光スポットを得
るための光源として半導体レーザ１を使用するものにつ
いて説明したが、本発明では半導体レーザに替えてＬＥ
Ｄ等の発光素子を使用することもできる。さらに、本発
明の距離センサーを使って、軸を中心に回転する測定対
象物の軸方向にセンサを動かして距離を測定することで
測定対象物の形状を高速認識することもできる。

［発明の効果］以上述べたように、本発明に係る半導体装置検出器によ
る形状高速測定方法と形状高速認識装置によれば、光束
位置変更手段により測定対象物に照射する光スポットを
走査せしめるようになるため、従来のように該測定対象
物を測定の都度移動させて走査測定させることなく、該
形状の高さ位置情報を正確に得ることが可能となり、計
測速度を大幅に向上させる特徴を有するものであり、プ
リント基板の高さの検出、形状の認識等において殊に有
用であり、本発明実施後の実用的効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体装置検出器による形状高速
測定方法の原理を示す光学系の説明図、第２図は半導体
装置検出器の原理を示す断面説明図、第３図（ａ）、　
（ｂ）、　（ｃ）は光束位置変更手段による走査方法を
示す説明図、第４図（ａ）、（ｂ）は同光学系の光束位
１変更手段を示す液晶シャッターの斜視図と断面説明図
、第５図は本発明装置の第一の実施例を示す光学系の配
置と制御系のブロック線図、第６図は第二の実施例の光
束位置変更手段を示す光学系の配置図と制御系のブロッ
ク線図、第７図は従来の三角測量方式による光学系の配
置図である。１・・・半導体レーザ２．３・・・投光レンズ群４・・・光束位置変更手段（液晶シャッター８゜反射鏡
２３．ボイスコイル２５）５・・・電子駆動制御手段（液晶制御回路１３゜ボイス
コイル駆動回路２９）６・・・受光レンズ７・・・ＰＳＤ１２・・・半導体レーザ駆動回路１７・・・アナグロスイッチ１８・・・サンプルホールド回路１９・・・アナクロ／デジタル変換回路２１・・・出力
表示部ＣＰＵ・・・中央制御装置ａ・・・測定対象物出願人の名称　　東京重機工業株式会社第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）検出対象物に照射した光スポットの反射光を半導
体装置検出器の受光面に集光して、該受光位置変位によ
る三角測量方式によって該測定対象物の上記光スポット
照射面の相対高さを計測する方法において、上記測定対
象物に照射する光スポットを光束位置変更手段を介して
、該測定対象物面上において走査移動せしめると共に、
該各走査移動ステップごとに上記半導体装置検出器から
の出力値を読み込み、これに所定の演算を加えた出力値
群を計測値とする半導体装置検出器による形状高速測定
方法。
（２）測定対象物に照射した光スポットの反射光を半導
体装置検出器の受光面に集光して、該受光位置変位によ
る三角測量方式によって該測定対象物の上記光スポット
照射面の相対高さを計測する装置において、光源と上記
測定対象物間の光軸上に、該測定対象物面上に照射する
光スポットを走査移動する光束位置変更手段を介挿する
と共に、上記半導体装置検出器の後段に該各走査移動ス
テップごとに出力値を読み込み、これに所定の演算を加
える同期演算回路を構成してなる半導体装置検出器によ
る形状高速認識装置。