JPH03500332A - 観察装置において高速かつ高解像度の３次元物体像を結像する方法及びシステム - 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】 察４Ｗにおいて高　かつ高”像度の３′−物　像紗象　る　法　びシステム 本出願は、１９８７年５月２１日に出願された米国特許出願第０５２．８４１号 「観察装置において高速かつ高解像度の３次元物体像を結像スル方法及Ｕシスｆ ム（ＭＥＴＨＯＤ　ＡＮＤ　ＳＹＳＴＥＭ’ＦＯＲＲＩＧ）ＩＳＰＥＥＤ　、３ −Ｄ　ＩＭＡＧＩＮＧ　ＯＦ　ＡＮ　０ＢＪＥＣＴ　ＡＴ　Ａ　ＶＩＳＩＯＮ　 ５ＴＡＴＩＯＮ３．０に関し、本出願と同じ譲受人である。前記出願の全体の開 示は、ここで参照することによって組み入れられている。

遺五五号 本発明は、観察装置の物体像を結像させて物体の寸法の情報を展開する方法及び 装置に間し、特に、制御された光ビームを観察装置の物体に投射することにより 高速かつ高解像力の像を結像させて、その物体の寸法情報を展開する方法及びシ ステムに関する。

１景肢止 回路基板部品、はんだ、リード、ビン、配線１機械挿入物などの小さな物体を検 査するための高速で高解像度［すなわち、約０．２５ｍｍ　（０，００１インチ ）で微細］の三次元レーザー走査装置は１機械の画像装置の能力を大きく改善す ることができる。実際、画像上の多くの問題は、３次元においては当然であるが 、二次元ではほとんど問題はない。

三次元データを得るためにいくつかの方法が使用されてきた。

即ち、飛行時間（ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｆｌｉｇｈｔ）、位相検出（ｐｈａｓｅ　ｄ ｅｔｅｃｔｉｏｎｌ　。

自動焦点、受動立体視（ｐａｓｓｉｖｅ　５ｔｅｒｅｏｌ、テクスチュアグラデ ィエンド（ｔｅｘｔｕｒｅ　ｇｒａｄｉ、ｅｎｔｓ）、三角測量等の方法である 。後者の方法は高解像度画像のために適しており、おそらく最もよく知られた技 術である。

通常の走査三角測量方法では、レーザービームがデフレクタによって測定される 物体を横切って走査され２広く拡散した光が集められ、位置感知検出器に画像を 結ぶ。スキャナーは２回転多角形、検流計、共振スキャナー、ホログラフィック デフレククー。

あるいは音響光学デフレフクーを用いることができる。同様に。

その位置感知検出器は、直線、あるいは面積アレイセンサー、ラテラルエフコク ト光グイオード（１ａｔ、ｅｒａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｐｈｏｔｎｄｉｏｄｅｌ、 バイセル（ｂｉ−ｃｅｌｌ）あるいは電子光学位置検知装置である。しばしば一 対の位置検知器が影を減少させるために使用される。直線アｌ／イあるいは仰域 カメラを使用する場合は、影、感光性、及び視野のトレー　ドオフが厳しい。

非常に高速で低い感光性を得るためには、前述した特許出願に記載された位置計 測装置が好ましい。しかしながら、非常に低い光レベルを検知する必要がない場 合は、ラテラルエフェクトフォトグイオードが約ｉＭ）ｉｚｆｌ上のデータ速度 で使用することができ、安価であって市販の装置が利用できる、三角測量を基本 とした方法及び装置は、しばしばストラクチュアドライト（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄ　ｌｉｇｈｔ）の概念を用いている。米国特許第４．１０５．９２５号に記載 されているような方法は、検査される物体の表面に光線あるいは複数の光線を投 射するステップと、ビデオカメラで投影された光線（あるいは複数の光線）の変 位を検知するステップとを含んでいる。このような装置は、既製のものが利用で き、比較的安価である。

このような装置の主要な短所は、非常に低速度（代表的には１０．０００点／秒 ）であることであり、１つの画像中に複数の投影された光線がある場合は、隣接 するストライブの重なりやストライブの間の複数の散乱光のためにデータの読み 取りが不明瞭になる。この両短所は、米国特許第４．３７５．９２１号に１己載 されているように、飛点走査装置を備えたラインブロジェクク、及び位置検知器 のいくつかのラインの１つを備えたビデオカメラに置き換えることによって克服 ′ｆることができる。

スキャカー、あるいはストラクチュアドライト装置を基本とした従来の三角測量 は、面積センサー、直線アレイ、あるいは大面積付Ｍ検知器のような大面積付Ｍ 検知器に光を供給するために、従来の画像レンズ（すなわち、縮小レンズ、３５ ｍｍレンズ、あるいはロングライン検知器のために設計された円柱レンズ）をし ばしば使用している。この大面積検知器にはいくつかの限界、即ち、大きな検知 器の容量によって低速度であり、ダークカレントが高く、及び小面積装置にみら れるよりもノイズフロア−が高い。

例えば、２０ｍｍＸ２０ｍｍのＰ−Ｉ−Ｎラテラルフォトタイオード（典型的に は１インチのビデオカメラ電子管と等価）は、数百ＰＦの容量を有しており、数 μＡのＢ！電流を有している。一方、２ｍｍＸ２ｍｍの装置は、約５ｐＦの容量 で５０ｎＡの暗電流である。小さな検出器の速度及びノイズ特性は、大面積の装 置で達成できる特性よりも大きい。速度特性の改善は容量の減少に直接比例して おり、信号対雑音比の改善は少なくとも容量の減少の平方根と同程度である。

三角測量を基本にした代表的な画像では、視野（及びその結果、検査速度）を減 少させることなく、光を小面積装置に供給す像度の高さは従来の三角測量を基本 にした画像では必然的に減少する。また、球体縮小レンズが光を検知器に供給す るために使用される場合は（必然的に解像度が比例的に減少し）、その光を集め る装置の能力はその面積に比例して減少する。これらは厳しい制限であり、その 装置の特性を制限する望ましくないｌ−レード坩フを強制する。

ナカガワ等ｆＮａｋａｇａｗａ　ｅｔ　ａｌ、、）の米国特許第４５５３８４４ 号に記載されているように、この問題を克服するために同期走査法を使用するこ とができる。この走査法は、普通は、多角形あるいは検流計駆動ミラーを備えて いる。しがし、この方法は、センザーヘッドが回転ミラー（例えば、フーリエ平 面あるいはテレセントリック絞り位置）あるいは一対のミラーの形式で移動部分 を含むことが必要である９実際、第２のミラーは第１のミラーによって走査され る点を追跡するために使用される。これらの高速移動部分は、しばしば望ましく なく、特にセンサーが産業的環境にあるＸＹテーブルやロボットアーーで見られ るような種類の加速度を受ける場合は望ましくない。

従来の三角測量画像には矛盾が存在する、即ち、小さな検出器を使用することが 望ましいが、移動部品が含まれていない限り、視野もまた小さくなり、その解像 度もまた恵くなって、光を集める能力が低下する。たとえ解像度が悪いことが許 容できるものであったとしても、光を集める能力の損失は、装置の信号対雑音比 をさらに低減させる。信号対雑音比は、大面積検知器を使用するために、もとも と、特に高速では良好なものではなく、問題を複雑にしている８ 他の多くの従来米国特許は、三角測量の手段による３次元データを得るための様 々な方法を記載している０例えば、チャッソン（Ｃｈａｓｓｏｎ）の米国特許第 ４，１８８，５４４号は、光線を物体に投射するためにビーム拡張器と円柱レン ズが使用されるストラクチュアドライト法を記載している。この光線は、画像レ ンズ及びビデオカメラで計測される。各点の位置は、ピーク検知アルゴリズムで 決定される。測定速度は、ビデオカメラの読み出しによって遅くなる。複数の光 線はこの問題をある程度軽減する。

ブドラー（Ｂｏｄｌａｊ）　ヘの米国特許第４，２０１．４７５号においては、 物体が位置計測寸法で走査され、非常に狭い視野を有する単一の光検知器で経時 変位が検知される。その装置の速度は、各測定点での走査装置の帰線時間で制限 される。この方法は、特に準ビデオ速度（すなわち、ＭＨ，）で小さな部分を検 査する必要があるときは、比較的遅くなる。

ベニ−（Ｐｅｎｎｙｌ　ヘの特許第４．６４．５．９１７号においては。

絞り掃引型彫機（Ｓｗｅｐｔ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｐｒｏｆｉｌｅｒ）が記載さ れている。

その装置も位置を決定するために経時変位を測定する。検流計で駆動されるミラ ーがデータの線（すなわち、ｘＹ座標）を走査するために使用される。音響光学 偏向器が位置感知寸法を走査するために使用され、光が光検出装置によって受け 取られたと同時にその深さを表示する。Ｚ方向の走査にその音響光学偏向器を使 用することは、従来技術を改善することになる。また、光電子倍増管を検出装置 として使用することは、さらに改善されたダイナミックレンジでの使用を可能に する。

パルスブラマニアンｆＢａｌｕｓｕｂｒａｍａｎｉａｎｌへの米国特許第４．３ ５５，９０４号は、三角測量を基本とした方法を記載しており、その方法は、レ ーザービームを走査し測定プローブの位置を制御するための装置とともに、位置 検知装置を濃度変化可能なティングが形成されているか、あるいは感光性フィル ム板が形成されているかにかかわらず１代表的な濃度変化可能なフィルターの濃 度に関する許容値は、どの１つの点でも代表的には±５％である。

サトシ・イド等ｆｓａｔｏｓｈｉ　Ｉｄｏ　ｅｔ　ａｌ、ｌに付与された米国特 許第４・５８９，７７３号は、市販されている位置検出器を使用した、ウニバー を検査するための位置検知方法及び装置を記載している。光を１０倍の縮小率で 物体表面上の小さな点に集めるために縮小レンズが使用される。拡木レンズが受 信装置で使用されて光を検出器に送る。三角測量の角度は受信装置及び検出器と 余角（９０度）で４５度をなす、この装置はウェハー検査に優れている。しかし ながら、その方法は他のいくつかの種類の検査作業に対しては不十分である。な ぜなら、（１）背の高い物体に対しては許容し難い陰影及び吸収効′果が発生す る：（２）プローブの視野が非常に狭（なる：ｆ３１（陰影を減少させるために ）角度を１５度に減少させると極端に高さ感度が低下し：さらに、（４）検出範 囲が比較的大きくなって装置の速度が増加するに従い速度や信号対雑音比を制限 する。

ナカガワ等に付与された米国特許第４，４７２．０５６号は、光線を投影するス テップ、及び位置センサーとして矩形のＣＣＤを使用するステップを包含する方 法を記載している。この方法は、前述したチャッソンに付与された米国特許に記 載された方法を速度の点で大きく上回って改善している方法であり、比較的制限 された高さ範囲（すなわち、１６レベル）の部分の検査に適している。物体の深 さに関連するピーク検出のためにロジックとハードウェアが包含されている。

クラブ等ｆｃｒａｂｂ　ｅｔ　ａｌ暑に付与された米国特許第４，６５０．３３ ３号においては、光投射を構成する方法が記載されており、その方法は前述した ナカガワの特許に記載された方法をいくらか補うものである。単一のＣＣＤライ ンアレイが使用できるような方法で１円柱レンズにより形成された光のストライ ブが音響光学偏向器で物体に走査される。これは特注したＣＣＤを必要せずに光 投射を構成する方法を実施する安価な方法である。ここで再び、速度が制限され 、またプローブの迷光を受け入れない能力が制限され、あまり背の高くない（痕 跡のような）物体の高さ測定にしかその方法を使用することができない。それに もかかわらず、その方法は痕跡の高さ測定の検査作業に適している。

ホーゲン（Ｈａｕｇｅｎ）に付与された米国特許第４，５４３，９６７号であっ てハネウェル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）に譲渡された特許は、三角測量を基本にし た走査装置を記載しており、その装置は、走査装置及び位置検出用デジタルマス クの寸法と重量を小さくするために、ホログラフィック偏向装置を使用している 。そのデジタルマスクはバイナリ−グレイコードの形式であって、各ビットに対 して検出器が必要（すなわち、８ビツトコードに対しては８個の検出器が必要） である。一連の光検出器に高精度に合焦させる必要があるため、スポット光を細 い線に変換させるべく、１つの円柱レンズがその受信装置の中で使用されている 。言換えれば、そのスポット光は線に変換され、光を連続長細検出器に送り出す 。空間の平均化はその装置では行なわれず、決定された光スポットの中心でも行 なわれない。

米国特許第４．６３４，８７９号は、光学三角測量の使用方法を開示しており、 その方法は、飛点カメラ装置内にプリズムと２つの光電子倍増管を使用して表面 の形状を決定する方法である。

がら、このバイセルは、受は取った光のスポットの中心を計算せず、それゆえ受 け取った光のスポットの強度分布に敏感である。

ノイズに対抗する特徴としては、レーザービームに振幅変調かがけられ、バック グラウンドの光ノイズに対する反応を除くために、フィルターネットワークがフ ィルター光電子倍増管に使用される。

λ虱のヱ昼 本発明の目的は、Ｕ察装置の物体の画像を高速かつ高解像度で３次元的に結像す る改善された方法及びシステムを提供することであり、その高速及び感度は、光 デフレクタと光学装置を備える飛点走査装置を使用することによって得られ、物 体から反射した光をラテラルエフェクトフォトダイオードのような１つの小さな 面積位置検出器に送り、その物体に関する寸法情報を発生させ、周囲の多くの反 射光を実質的に減少させる。

本発明の他の目的は、観察装置の物体を画像化するための三角測量を基本にした 方法及びシステムを提供することであり、その方法は、狭い三角測量角度で優れ た解像度を達成することにより、従来の方法や装置の多くの制限を克服しており 、比較的大きな視野を保ちながら、陰影や吸収効果が減少している。

さらに本発明の他の目的は、観察装置の物体に関する高解像度の寸法情報であっ て、比較的安くコンパクトな形で高い信号対雑音比を有している・情報を得るた めの物体の高速画像化のための方法及びシステムを提供することであり、その装 置は、標準の高速装置に接続することができる。

本発明の前述したあるいは他の目的を達成するために、観察装置の物体像を高速 かつ高解像度で３次元的に結像して、その物体に関する寸法情報を展開する方法 が提供される。その方法は、走査方向で制御された光ビームを第１の所定の角度 で物体の表面に走査して反射光信号を発生させるステップ、第２の角度でその反 射した光信号を第一組の光学要素で受け取るステップ、第１及び第２のレンズを 包含するステップ、及び受け取った信号を前記第１組の光学要素でフィルターを かけるステップを包含している。

その方法は、さらに反射した光信号の放射エネルギー量を位置検知方向を有する 小面積位置検出器で測定するステップ、前記測定値に比例した少な（とも１つの 電気信号を発生させるステップ、及びその少なくとも１つの電気信号から反射光 信号の中心値を計算するステップを包含している。その方法は、フィルターがか けられた光信号をアナモルフィック拡大レンズ及びフィールドレンズ装置で小面 積位置検出器に送り出すステップによって特徴づけられる。そのレンズ装置は１ 位置検出器の位置計測方向に拡大するための第３のレンズ、及びその光信号を位 置検出器に送り出すための比較的焦点距離の短い高速の第４のレンズを包含して いる。

さらに本発明の前述したあるいは他の目的を達成するために、観察装置の物体像 を高速かつ高解像度で３次元的に結像して、その物体に関する寸法情報を展開す る結像装置が提供される。この装置は、走査方向で制御された光ビームを第１の 所定の角度で物体の表面に走査して反射光信号を発生させるための光源、及び第 ２の角度でその反射した光信号を受取りその反射した光信号にフィルターをかけ るための第１及び第２のレンズを包含する１組の光学要素を包含している。この 装置は、反射した光信号の放射エネルギー量を測定し、その測定値に比例した少 なくとも１つの電気信号を発生させるための位置検知方向を有する小面積位置検 出器を包含する測定手段をさらに包含している。信号処理手段は、その少なくと も１つの電気信号から反射光信号の中心値を計算する。アナモルフィック拡大し ・ンズ及びフィールドレンズ装置は・その位置検出器の位置ｉｆ　Ｉ＋１方向に 拡大するための第３のレンズ、及びその光信号を位置検出器に送り出すための比 較的焦点距離の短い第４の高速レンズを包含している・好ましくは第４のレンズ は、ｆｌｏ・　５乃至ｆｌｏ・７の速度で、２０乃至３０ｍｍの範囲の焦点距離 をもつように特別に製造される。

画像装置の一構成においては、光源は、好ましくは固体（例えば音響光学）レー ザー光デフｌツクターを包含しており、１組の光学要素は、好ましくは集められ た光の偏光及び受け入れ角度を制御するためのマスクを包含している。

また好ましくは、その測定手段は放射エネルギーを少なくとも１つの電流に変換 するために、ラテラルエフェクトフォトダイオードのような高感度光検出器を包 含している。

さらに好ましくは、フィルターをかけられた光信号の視野は、位Ｎ検出器を通っ て変換手段により変換され、その物体に関する寸法情報の範囲を拡張する。

前述したように、本方法及び装置から生ずる利点は非常に大きい。例えば、この ような結像装置は範囲データと強度データがともに得られている検査測定製品の 中に組み込むことができる。

またこのような方法や装置は、ビデオ速度で高解像度の完全３次元画像を比較的 低コストで提供する。高い信号対雑音比、高い感度、高い集光能力、低静電容量 、及び低暗電流が達成されるのみならず、長い走査線（すなわち、視野）が達成 される。

本発明は、アナモルフィック拡大レンズ及びフィールドレンズ装置を使用し、光 を小面積位置センサーに送ることによって、従来技術の多くの問題を克服してお り、全てを固体素子とした光偏光装置を使用する際の利益（すなわち、コンノ〜 クト、丈夫、１妾続容易なと）を受ける、 本発明の目的、特徴、及び利点は、添付図面とともに本発明を実施するための最 良の形態の詳細な説明から、すぐに明ら力）となる。

区皿久鷲単な説明 第１図は１本発明の方法及び装置の概略図である。

第２ａ図は、物体のいくつかの位置が番号付けされてし）る階段形状を有する観 察装置における物体の形状図である。

第２ｂ図は、レーザー出力・ントが物体に沿って第２ａ図の位置から走査された 場合の大面積検出器上の対応する位置を示した図である。

第２Ｃ図は、第２ｂ図と類似しているが、本発明の方法及び装置が使用され小面 積光検出器に反射した光とスポット形状を与えているところが異なる。

４を−「するための最　の１態 第１図を谷間して、本発明によって構成された３次元画像装置の主要な要素が示 されており、全体的に１０で示されている。その装置１０は、硅察装置に配置さ れており、レーザーのような制。

御された光源、変調器、及び光学フィードパ・ンク回路１２を包含している。音 響光学デフレクタ−１４の形式のスキャナーと様々なレンズ要素１６の形式のビ ーム形成合焦光学系は、概ね２０で示した物体の反射表面１８に一連のレーザー ビームを投射することによって、テレセントリックで平坦な走査を達成している 。その物体は、観察装置で平坦な基準表面２２により支持されてし）る。

ブロック１２の中ではレーザーが変調器と接続され、装置のノイズ特性が改善さ れる高い周波数にその情報が変換される。変調器は、サイン波、パルス振幅、パ ルス位１などを含む多様な変調のうちの１つを行ってもよい、好ましくは、その レーザーは固体レーザーグイオードであり、ＴＴＬ信号（すなわち、ＴＴＬ変調 ）で閉じる。このように、レーザー信号は、前述の出願で詳細に述べたように、 ＯＮとＯＦＦの繰り返しの間で別々の信号処理作用を行うことができるように符 号化される。典型的には、出力レベルは機械的画像装置に適している２０乃至３ ０ｍＷ（クラスＩＩ　−Ｂ　）である。

Ｎｅｗｐｏｒｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ社が眼光しているような固体音 響光学デフレクタ−（すなわち、Ａ、０）１４が使用されることが好ましい、こ のデフレフクーは、接続容易で非常に丈夫であり、かつコンパクトである。これ は大きな利点である。装置１０の寸法は、はぼビデオカメラの大きさである。装 置１２には動く部品は存在しない、長期間の安定性を維持することは容易である 。装置１０は、ＸＹテーブルあるいは比較的小さな作業のロポ・ントアームのよ うな移動機械（トランスレータ）に取り付けるのに十分な程度に丈夫に製造でき る。それゆえ、その装置を大量に製造することは比較的容易である。はとんどの Ａ−０デフレククーは、１走査あたり約５００スポツトを発生し、デジタイザー や画像処理装置に接続するのにｉｔ常に便利である。作動率ｔｄｕｔｙ　ｃｙｃ ｌｅ）は他の種類のスキャナーに比べて非常に高い（９５％に対して５０％）。

Ａ−○デフレクター１４は、前述したように全てが固体素子であるという利点を 有する。しかしながら、回折的な走査の性質によって、その視野において平均値 の約１０乃至３０％の緩や力）な発光の変動が生ずる。この種類の変動は大抵は 許容できるが、普通のレーザー走査の大きな利点、即ち、視野の全ての点に向け て同−入射角度で同一の光量を供給する能力を損なうために望ましくない。

全体的に２４で示したような光学的及び電気的フィートノ＼・ンク回路は、これ を緩やかに変化する変動に補正するために（すなわち、平坦なフィールド補正の ために）利用される。Ａ−０デフレクク−１４は、普通は空間フィルターで遮蔚 される走査ビームと直流ビームを発生する。この直流ビームはレーザー出力の約 ３０％である。全体の光は走査線の光（すなわち−次）及び直流ビーム（０次） の合計であるため、このビームの変動を計測することによって、発光の変動を推 定することができる。

直流ビームは、回路２４の感光性検出器２６によって計測される。その結果生ず る電気信号は、回路２４の自動利得制御回路２８（すなわち、増幅器と積分器を 包含する回路）によって用し１られ、Ａ−０デフレクタ−１４に加えられる交流 出力を調整されたミキサーで減衰あるいは増幅させる。その結果生ずる強度の分 布は、約１％まで平坦となり、三次元検査のためのグレイスケール検査及びダイ ナミックレンジの適度な改善に大きな利点を提供する。

物体２０から反射した光信号を光学的に処理するのに使用される光学装置を、全 体的に３８で示している。その光学装置３８は、１組の光学要素を包含しており 、その部品は、物体２０から焦点距離の１倍の位置で物体２０からの拡散した光 を集ゆるためのテレセントリック受光レンズ４０を包含している。縮小合焦レン ズ４２は望遠鏡の対物レンズとして作動する。レンズ４０と４２は、好ましいコ ンシュゲイトｆｃｏｎｊｕｇａｔｅ）　として作用する。

縮小レンズ４２は、様々な縮小及び拡大比率を達成するために交換することがで きる。縮小レンズ４２は、マスク４４のすぐ後ろに配置される。

マスク４４は受光レンズ４０から焦点距離の１倍の位置に配置され、空間及び偏 光フィルター面を提供するためのテレセントリック絞りとして作用する。１つの 実施例では、そのマスクは中間の空間フィルター面に配置された矩形開口部（す なわち、空間フィルター）を形成し、装置１０が所望する各瞬間の視野の外側に ある物体からの二次的反射によってしばしば生じる不要な角度から入射する光ｌ すなわち、軸外光、すなわち迷光）を遮断することができる。マスク４４は、固 定開口部４６すなわち電気機様的シャッターであってもよく、あるいは好ましく は、液晶で、二進の空間光変調器、あるいはソフトウェアの制御下で動的に変形 されるパルプである。このような構成は、物体の近傍で複数の反射が生じている 非常に光沢のある物体（リフローはんだ、配線の接続、回路、ビングリッドなど ）の検査に有益である。結局、（絞りの大きさ全体を通過する）入射角度及び入 射光の偏光は、検出器に送られる前にデジタル的に制御することができる。

もし必要ならば、空間フィルターあるいはストリップは、検出される物体の高さ 形状に対して関連を持たされかつ適合させた、選択された不透明パターンと透明 パターンでプログラムすることができる。例えば、光沢のある背景に配置された 光沢のあるビンの高さ測定は、ビンを適正に配置した高さ範囲に対応する狭いス トリップのみが観測されるならば、さらに信頼できるものとなろう、そうでなけ れば、複数の反射は、有用な光によって生ずる戻りよりもかなり大きい信号の戻 りを生ずる。適正に配置された場合は、ビンの位置が報告されるが、不完全であ れば、ビンは観測されないであろう。

従来の三角測量を基本にしたスキャナー（すなわち、移動部品を含んでいないが 面積検出器を有している固体素子装置）が利用される場合は、マスク４４の開口 部４６は、特定された高さ範囲の検出のために必要なもの以上に大きくはないが 、なお好ましくはプログラム可能である。

光学装置３８は、全体的に４８で示され、アナモルフィック拡大レンズ装置とフ ィールドレンズ装置をさらに包含している。そのレンズ装置４８は、−組のアナ モルフィック要素すなわちアナモルフィックレンズ５０及び５２を包含している 。このレンズ５０は焦点距離が非常に長く、位置検知方向の画像を拡大するため に精度の高い負の円柱レンズとなっている。レンズ５０の焦点距離は、典型的に は約−３００ｍｍ乃至−１０００ｍｍの範囲である。

レンズ５２は、好ましくは約Ｆ１０．５あるいはＦｌｏ、６の速度の短い焦点距 離の特注の円柱型レンズであって、視野を拡大し、装置３８の集光能力を拡大す るために使用される。

第２Ａ区は、階段状の物体の形状を示しており、その物体上のいくつかの点が番 号づけされている。

第２Ｂ図は、レーザースポットがその物体に沿って走査されるときに大面積検出 器で観測される第２Ａ図の番号付けされた位置を示している。これは従来技術を 示している。

第２Ｃ図は、第２Ａ図の同じ番号付けされた位置を示しており、さらに１組のレ ンズ５０及び５２を用いた効果を示している。レンズ５０と５２は、小さく結像 した光のスポットを、滑らかな拡大された矩形あるいは楕円型のスポットに変換 し、単一の位置検知器５３の拡張された領域を一様に照明し、点から点への感度 変化で生ずる空間ノイズを平均化する。

レンズ４２と５０の組み合わせは、位置検知寸法を拡大する役目を果たす６位置 検知方向への拡大は、普通は１対１よりも大きく、そのため顕微鏡的な拡大とな る。

レンズ５２は、アナモルフィックフィールドレンズとして作用し、そこを通って 走査線が結像される。映し出された走査線の長さは、レンズ５２の大きさくすな わち、４０ｍｍ）とほとんど同じであるが、検出器５３の寸法よりは明らかに大 きい。それゆえ、それは縮小光学系として作用する。レンズ５２は、両凸単一レ ンズ、平凸半円柱、あるいは放射状に勾配した勾配屈折率光学系の形、あるいは それらの組合わせの形で製造することができる。しかしながら、両凸の設計が好 ましい。

装置１０の深さ方向の測定範囲を拡張するため、追跡ミラー５４を包含しており 、マスク４４の後方でテレセントリックを維持するという条件で、都合の良い位 置に配置することができる。

代わりに、小さな角度デフレクタ−を使用できるが、光ビームを伝達するという よりむしろ光ビームがそれることになる。

変換ミラー５４は、精密ミニチュア台に取りつけられ、この精密ミニチュア台は 、信号処理回路５８に接続されているコントローラー５６を介してソフトウェア の制御の下に変位される。

変換ミラー５４は、装置１０の測定範囲が大きく拡張するため２５６レベルある いは高さを識別することができる。幾つかの検査作業は、この高さ範囲の拡張が 要求される。例えば、約０．０１ｍｍ　（０，０００４インチ）の深さ感度が要 求されるパッドのはんだ高さを測定するために望ましいかもしれない、一方、そ のパッドに一致させる部品のリード線の位置や形状を測定するためにも望ましい かもしれない。リード線は１部品から約６．３ｍｍ　（０，２５インチ）、ある いはそれ以上に上方に延びている。これは、ラテラルフォトダイオードの線形測 定範囲を超えている。また、ワイヤーループは非常に細く、正確な測定のために は、空間、深さに間する高解像度が要求される。しかしながら、これらのワイヤ ーは、約６．３ｍｍ　（０，２５インチ）にまで延びていることがあり、要求さ れている約０．００５ｍｍ（０，０００２インチ）の高さ及び空間解像力で全範 囲に適応するセンサーは実用的でない。

変換ミラー５４はこの問題を緩和する。レンズ４０が光を受さえすれば良い。こ のレンズ４０は、検出器５３よりいくらか大きい（位置検知寸法での）画像寸法 を提供することができる。変換ミラー５４を変位させることは、検出器５３の（ レンズ４０によって拘束される）全体視野を変換する効果があり、小さなエリア 検出器５３をなお用いたままでさらに多くの高さレベルを検知することができる 。

好ましくは、単一の検出部品が、装置１０の小面積位置検知器として使用される 。装置１０は、ラテラルフォトダイオード（ＬＥＰ）で正確なＺ方向（すなわち 、深さ）を得ることができ、その内部抵抗は深さ計測を提供し、信号電流の減衰 を通して中心位置の算定可能性を提供する。位置検出器５３は、５ｉ−Ｔｅｋ　 ２Ｌ２のようなラテラルフォトダイオードであってよいが、好ましくは、位置検 知方向に沿って約６ｍｍの幅と２ｍｍの寸法を有する特別の矩形ラテラルエフェ クト検出器である。これらの位置検知装置は、線形アレイにわたる実質的な速度 範囲と深さ範囲に関する利点を有している。バイセル（Ｂｉ−ｃｅｌｌ）　、す なわちデジタルマスク（例えば、光エンコーダ）は、好ましくな検出器５３は、 信号処理回路５８に接続されているプリアンプに接続されており、その信号処理 回路５８は、光スポットの中心を算定し、それによって、不均一で方向性のある 強度分布をなすことも可能である。

信号処理回路すなわち装置５８は、変更可能なデータを拡張、圧縮し、適正なＺ 軸の値、グレイスケール情報、および不正確な高さ情報を示す特別な値を得る。

信号処理回路５８は、前述の出願で詳細に説明されている。

装置１０は移動部品を持たない走査機構を補助するために設計されているが、シ ンクロナイズドスキャンニングジオメトリー法を用いれば、さらに付加的な利益 を得ることができ、非常に小さな点検出器を使用しその検出器上で空間的に平均 化することによって解像度を増大させることができる。

前述の結像方法及び装置には、多くの利点がある。例えば、画像は高い解像度、 準ビデオ速度で処理されて完全な３次元情報を得ることができる。高い信号対雑 音比、高さ感度、高集光能力、低静電容量、及び低暗電流とともに、大きな走査 線（すなわち、視野）が、達成されている。また、このような方法及び装置は、 低コストでの正確な準ビデオフレーム速度にお【づる深さ測定の可能性を提供す る７ 本発明を実施するための最良の形態が詳細に説明されたが、次の請求の範囲で定 められているように、本発明が関連する技術に精通している者は、本発明を実施 するための様々な代替設計及び実施例を認めるであろう。

Ｒｇ、　１ 走査寸法 一走査寸法一

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．走査方向で制御された光ビームを第１の所定の角度で物体の表面に走査して 対応する反射光信号を発生させるステップ：第１及び第２のレンズを包含する一 組の光学要素によって第２の角度でその反射した光信号を受け取るステップ：受 け取った信号をその１組の光学要素でフィルターをかけるステップ： 位置検知方向を有しかつ測定値に比例した少なくとも１つの電気信号を発生する 小面積の位置検出器によって茂射光信号の中の放射エネルギーの量を測定するス テップ：及びその少なくとも１つの電気信号から、反射光信号の中心値を計算す るステップを包含している 観察装置の物体の画像を高速かつ高解像度の３次元として形成して物体に関する 寸法情報を展開する方法において、フィルターがかけられた光信号を、アナモル フィック拡大レンズ及びフィールドレンズ装置で小面積位置検出器に送り出すス テップを包含し、 そのレンズ装置が、位置検出器の位置検知方向に拡大するための第３のレンズ、 及びその光信号を位置検出器に送り出すための比較的焦点距離の短い第４のレン ズを包含していることを特徴とする方法。
2. ２．走査方向で制御して変調された光ビームを第１の所定の角度で物体の表面に 走査して対応する反射光信号を発生させるステップ： 第１及び第２のレンズを包含する一組の光学要素によって第２の再度でその反射 した光信号を受け取るステップ：受け取った信号をその１組の光学要素でフィル ターをかけるステップ： 小面積位置検出器で、反射した光信号の放射エネルギー量を測定し、その測定値 に比例した少なくとも１つの電気信号を発生させるステップ： その少なくとも１つの電気信号を復調するステップ、及びその少なくとも１つの 復調信号から、反射光信号の中心値を計算するステップを包含している 観察装置の比較的小さな物体の画像を高速かつ高解像度の３次元像として形成し て物体の寸法情報を展開する方法において、 フィルターがかけられた光信号を、アナモルフィック拡大レンズ及びフィールド レンズ装置で位置検出器に送り出すステップを包含し、 そのフィールドレンズ装置が、位置検出器の位置検知方向に拡大するための第３ のレンズ、及びその光信号を位置検出器に送り出すための比較的焦点距離の短い 第４のレンズを包含していることを特徴とする方法。
3. ３．走査方向で制御された光ビームを第１の所定の角度で物体の表面を走査して 反射光信号を発生させるための光源、第２の角度でその反射した光信号を受取り その反射した光信号にフィルターをかけるための第１及び第２のレンズを包含す る第１組の光学要素、 反射した光信号の放射エネルギー量を測定しその測定値に比例した少なくとも１ つの電気信号を発生させるため、位置検知方向を有する小面積位置検出器を包含 する測定手段、及びその少なくとも１つの電気信号から、反射光信号の中心値を 計算する信号処理手段を包含する 観察装置の物体の画像を高速かつ高解像度で３次元的に結像させて、その物体の 寸法情報を展開する結像装置において、位置検出器の位置検知方向に拡大するた めの第３のレンズ、及びその光信号を位置検出器に送り出すための比較的焦点距 離の短い第４のレンズを包含しているアナモルフィック拡大レンズ及びフィール ドレンズ装置を包含していることを特徴とする結像装置。
4. ４．前記第４のレンズが、２０乃至３０ｍｍの範囲の焦点距離を有している請求 項１記載の方法又は請求項３記載の装置。
5. ５．前記第４のレンズが、ｆ／０．５乃至ｆ／０．７の速度を有している請求項 ４記載の装置。
6. ６．前記第３のレンズが、−３００乃至−１０００ｍｍの範囲の焦点距離を有し ている負の円柱型レンズである請求項４記載の装置。
7. ７．前記第４のレンズが、両凸フィールドレンズである請求項５記載の装置。
8. ８．前記第２及び第３のレンズが、協働して前記フィルターがかけられた光信号 を位置検出器の位置検知方向に拡大する請求項３記載の装置。
9. ９．前記一組の光学要素が、受け取った光信号をフィルターにかけるために、物 体の高さ形状に関連したプログラム可能なマスクを包含している請求項１記載の 装置。
10. １０．前記一組の光学要素が、受け取った光信号をフィルターにかけるために、 固定開口部を有するマスクを包含している請求項１記載の装置。
11. １１．前記第１のレンズが第１の焦点距離を有しており、その第１のレンズが、 物体からその第１の焦点距離にほぼ等しい距離を隔てて位置するように取りつけ られている請求項９記載の装置。
12. １２．前記マスクが、前記第１のレンズから第１の焦点距離にほぼ等しい距離を 隔てて配置されている請求項１１記載の装置。
13. １３．一つの感光性検出器が、反射した光信号の放射エネルギー量を測定し、そ れによって、その放射エネルギーを電流に変換するために使用されている請求項 １記載の方法又は請求項３記載の装置。
14. １４．前記光検出器が、４０ｍｍ２より小さな検出領域を有する半導体装置であ る請求項１３記載の装置。
15. １５．前記光検出器が、２０ｍｍ２より小さな検出領域を有する請求項１３記載 の装置。
16. １６．前記制御されたビームが、レーザー走査ビームである請求項１乃至３のい ずれかに記載の装置。
17. １７．前記レーザー走査ビームが、音響光学デフレクターで供給される請求項１ ６記載の装置。
18. １８．前記光デフレクターが直流ビームをさらに供給し、直流ビームの放射エネ ルギー量が測定されてその測定値に比例した制御信号を発生させ、その制御信号 が、光デフレクターが物体をほぼ均一に発光させるように光デフレクターを制御 するために使用される請求項１７記載の装置。
19. １９．前記フィルターをかけられた光信号の視野が、伝達装置によって位置検出 器を超えて伝達され、物体の寸法情報の範囲を拡張する請求項１乃至３のいずれ かに記載の方法又は装置。
20. ２０．前記変換装置が、前記フィルターをかけられた光信号を反射するための追 跡ミラー、及びその追跡ミラーの動きを制御するための制御装置を包含している 請求項１９記載の装置。
21. ２１．走査方向で制御された光ビームを２０度よりも小さな第１の所定の角度で 物体の表面に走査して反射光信号を発生させるための光デフレクターを包含して いる飛点走査装置、第２の角度でその反射した光信号を受取りその反射した光信 号にフィルターをかけるための第１及び第２のレンズを包含する１組の光学要素 、 反射した光信号の放射エネルギー量を測定し、その測定値に比例した少なくとも １つの電気信号を発生させるための単一の小面積位置検出器を包含する測定手段 、その少なくとも１つの電気信号から、反射光信号の中心値を計算する信号処理 手段、及び 位置検出器の位置検知方向に拡大するための第３のレンズ、及びその光信号を位 置検出器に送り出すための比較的焦点距離の短い第４のレンズを包含しているア ナモルフィック拡大レンズ及びフィールドレンズ装置を包含していることを特徴 とする観察装置の物体の画像を高速かつ高解像度で３次元的に結像させてその物 体の寸法情報を展開する装置。