JPH0585845B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 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ツプ； 第１及び第２のレンズを包含する一組の光学要
素によつて第２の角度でその反射した光信号を受
け取るステツプ； 受け取つた信号をその１組の光学要素でフイル
ターをかけるステツプ； 検出領域を有し、前記走査方向にほぼ直交する
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
出器によつて反射光信号の中の放射エネルギーの
量を測定するステツプ；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ツプを包含している 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、 フイルターがかけられた光信号を、アナモルフ
イツク拡大レンズ及びフイールドレンズ装置で小
面積位置検出器に送り出すステツプを包含し、 そのフイ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
検出領域の点から点への感度変化から生ずる空間
ノイズが平均化されている検出領域の拡張区域上
を均一に発光させるため、走査方向で縮小させる
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 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ツプ； 第１及び第２のレンズを包含する一組の光学要
素によつて第２の角度でその反射した光信号を受
け取るステツプ； 受け取つた信号をその１組の光学要素でフイル
ターをかけるステツプ； 検出領域を有しかつ走査方向にほぼ直交する位
置検知方向を有する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
せるステツプ； その少なくとも１つの電気信号を復調するステ
ツプ、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ツプを包含している 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に関する
寸法情報を展開する方法において、 フイルターがかけられた光信号を、アナモルフ
イツク拡大レンズ及びフイールドレンズ装置で位
置検出器に送り出すステツプを包含し、 そのフイ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
検出領域の点から点への感度変化から生ずる空間
ノイズが平均化されている検出領域の拡張区域上
を均一に発光させるため、走査方向で縮小させる
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 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イ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、検出器面積を有しかつ走査方向
にほぼ直交する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、その物体に関する寸法情報
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、及び検出領域の点から点への感度変
化から生ずる空間ノイズを平均化している検出領
域の拡張区域上を均一に照明するため、走査方向
で縮小させる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イツク拡大レン
ズ及びフイ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 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 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 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 前記第４のレンズが、両凸フイールドレンズ
である請求項５記載の装置。

８ 前記第２及び第３のレンズが、協働して前記
フイ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 前記一組の光学要素が、受け取つた光信号を
フイ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 前記一組の光学要素が、受け取つた光信号
をフイ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 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 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 前記位置検出器が、反射した光信号の放射
エネルギー量を測定し、それによつて、その放射
エネルギーを電流に変換するための単一の光検出
器を包含している請求項３記載の装置。

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 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 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 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１６記載の装置。

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 前記フイルターをかけられた光信号の視野
が、伝達装置に拡つ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 前記変換装置が、前記フイルターをかけら
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 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イ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、検出領域を有しかつ走査方向に
ほぼ直交する位置検知方向を有する単一の小面積
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、及び検出領域の点から点への感度変
化から生ずる空間ノイズが平均化されている検出
領域の区域上を均一に照明するため、走査方向で
縮小させる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イツク拡大レンズ
及びフイ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。

明細書 本出願は、1987年５月21日に出願された米国特
許出願第052841号『観察装置において高速かつ高
解像度の３次元物体像を結像する方法及びシステ
ム（METHOD AND STSTEM FOR
HIGHSPEED，３−Ｄ IMAGING OF AN
OBJECT AT Ａ VISION STATION）』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つて組み入れ
られている。

技術分野 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関し、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度の像を結像させ
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。

背景技術 回路基板部品、はんだ、リード、ピン、配線、
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、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 detection），自動焦
点，受動立体視（passive stereo）、テクスチユ
アグラデイエント（texture gradients）、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
がデフレクタによつて測定される物体を横切つて
走査され、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。スキヤナーは、回転多角
形、検流計、共振スキヤナー、ホログラフイツク
デフレクター、あるいは音響光学デフレクターを
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
ラルエフエクト光ダイオード（lateral effect
photodiode）、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
検出器が影を減少させるために使用される。直線
アレイあるいは領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、ラテラルフエクトフオトダ
イオードが約1MHz以上のデータ速度で使用する
ことができ、安価であつ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
ばストラクチユアドライト（structured light）
の概念を用いている。米国特許第4105925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ツプ
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ツプとを含んで
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10000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、隣接するストライプの重なりやストライプの
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4375921
号に記載されているように、飛点走査装置を備え
たラインプロジエクタ、及び位置検知器のいくつ
かのタイプの１つを備えたビデオカメラに置き換
えることによつて克服することができる。

スキヤナー、あるいはストラクチユアドライト
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、あるいは大面積位置検知器のよ
うな大面積位置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、35mm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つて低速度であり、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
ノイズフロアーが高い。

例えば、20mm×20mmのＰ−１−Ｎラテラルフオ
トダイオード（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PHの容量を有してお
り、数μAの暗電流を有している。一方、２mm×
２mm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ることが困難であ
る。さらに、その視野を増加させる場合は、解像
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
る望ましくないトレードオフを強制する。

ナカガワ等（Nakagawa 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。しかし、この方法
は、センサーヘツドが回転ミラー（例えば、フー
リエ平面あるいはテレセントリツク絞り位置）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。実際、第２のミラーは第１のミラ
ーによつ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
ーブルやロボツトアーム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、
移動部分が含まれていない限り、視野もまた小さ
くなり、その解像度もまた悪くなつて、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
容できるものであつたとしても、光を集める能力
の損失は、装置の信号雑音比をさらに低減させ
る。信号雑音比は、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。

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。例えば、チヤツソン（Chasson）の米
国特許第4188544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
ラクチユ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
つて遅くなる。複数の光線はこの問題をある程度
軽減する。

ブドラー（Bodlaj）への米国特許第4201475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、ＭHz）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。

ペニー（Penny）への特許第4645917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
が光検出装置によつ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ツクレ
ンジでの使用を可能にする。

バルスブラマニアン（Balusubramanian）へ
の米国特許第4355904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、レーザビー
ムを走査して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
フイルターの形式で組み込む方法である。ガラス
の上に金属コーテイングが形成されているか、あ
るいは感光性フイルム板が形成されているにかか
わらず、代表的な濃度変化可能なフイルターの濃
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（Satoshi Ido et al.）に付与
された米国特許第4589773号は、市販されている
位置検出器を使用した、ウエハーを検査するため
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。拡大レンズが受信装
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。この装置はウエ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くな
る；(3)（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つて装置の速度が増
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4472056号
は、光線を投影するステツプ、及び位置センサー
として矩形のCCDを使用するステツプを包含す
る方法を記載している。この方法は、前述したチ
ヤツ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つ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ツクとハード
ウエアが包含されている。

クラブ等（Crabb et al.）に付与された米国特
許第4650333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、円柱レンズにより形成された光のス
トライプ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
4543967号であつてハネウエル（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、ホログラフイツ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ーグレイコ
ードの形式であつて、各ビツ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、スポツト光を細
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
のスポツ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、決定された光スポツトの中心でも行なわ
れない。

米国特許第4634879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。これらはバイ
セル（bi−sell）の形状で配置されている。しか
しながら、このバイセルは、受け取つた光のスポ
ツトの中心を計算せず、それゆえ受け取つた光の
スポツ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、レーザビームに振幅変調がか
けられ、バツクグラウンドの光ノイズに対する反
応を除くために、フイルターネツトワークがフイ
ルター光電子倍増管に使用される。

発明の開示 本発明の目的は、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つて得られ、物体
から反射した光をラテラルエフエクトフオトダイ
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つて、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
テツプ、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ツプ、第１及び第２
のレンズを含有するステツプ、及び受け取つた信
号を前記第１組の光学要素でフイルターをかける
ステツプを包含している。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ツプ、
前記測定値に比例した少なくとも１つの電気信号
を発生させるステツプ、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
テツプを包含している。その方法は、フイルター
がかけられた光信号をアナモルフイツク拡大レン
ズ及びフイールドレンズ装置で小面積位置検出器
に送り出すステツプによつて特徴づけられる。そ
のレンズ装置は、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イルタ
ーかけるための第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
ルフイツク拡大レンズ及びフイールドレンズ装置
は、その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、ｆ／0.5乃至ｆ／
0.7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）レーザー光デフレク
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
テラルエフエクトフオ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、フイルターをかけられた光
信号の視野は、位置検出器を通つて変換手段によ
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、アナモルフイツク拡大レンズ及びフ
イ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つて、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、コンパク
ト、丈夫、接続容易など）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、すぐに明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、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
されてい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、レーザースポツトが物体に沿つて
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
射した光とスポツト形状を与えているところが異
なる。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照して、本発明によつて構成された
３次元画像装置の主要な要素が示されおり、全体
的に１０で示されている。その装置１０は、観察
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、及び光学フイードバツク回路
１２を包含している。音響光学デフレクター１４
の形式のスキヤ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に一連のレーザビームを投射す
ることによつて、テレセントリツクで平坦な走査
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により支持されている。

ブロツク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
にその情報は変換される。変調器は、サイン波、
パルス振幅、パルス位置などを含む多様な変調の
うちの１つを行つてもよい。好ましくは、そのレ
ーザーは固体レーザーダイオードであり、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30mW（クラス−Ｂ）である。

Newport Electoro−Optics社が販売している
ような固体音響光学デフレクター（すなわち、
A.O）１４が使用されることが好ましい。このデ
フレクターは、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、ほ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１
０は、XYテーブルあるいは比較的小さな作業の
ロボツ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。ほとんどのＡ−Ｏデフレク
ターは、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非常
に便利である。作動率（duty cycle）は他の種類
のスキヤナーに比べて非常に高い（95％に対して
50％）。

Ａ−Ｏ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つて、その視野
において平均値の約10乃至30％の緩やかな発光の
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一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
イードバツク回路は、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、平坦なフイール
ド補正のために）利用れる。Ａ−Ｏデフレクター
１４は、普通は空間フイルターで遮断される走査
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（すなわち一次）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
ことによつて、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
よつて計測される。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）によつて用いら
れ、Ａ−Ｏデフレクター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
査及びタイナミツ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
集めるためのテレセントリツク受光レンズ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、
好ましいコンジユゲイト（conjugate）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、空間及び偏光フイルター面
を提供するためのテレセントリツク絞りとして作
用する。１つの実施例では、そのマスクは中間の
空間フイルター面に配置された矩形開口部（すな
わち、空間フイルター）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
的反射によつてしばしば生じる不要な角度から入
射する光（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すなわち電気機械的シヤツターであつても
よく、あるいは好ましくは、液晶で、二進の空間
光変調器、あるいはソフトウエアの制御下で動的
に変形されるバルブである。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、ピンクリツドなど）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、空間フイルターあるいはスト
リツプは、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
沢のあるピンの高さ測定は、ピンを適正に配置し
た高さ範囲に対応する狭いストリツプのみが観測
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、有用な光によつ
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、ピンの位置が報
告されるが、不完全であれば、ピンは観測されな
いであろう。

従来の三角測量を基本にしたスキヤナー（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
モルフイツク拡大レンズ装置とフイールドレンズ
装置をさらに包含している。そのレンズ装置４８
は、一組のアナモルフイツク要素すなわちアナモ
ルフイツクレンズ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
柱レンズとなつている。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Ｆ／0.5あるいは
Ｆ／0.6の速度の短い焦点距離の特注の円柱型レ
ンズであつて、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図は、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、レーザースポツトがその物体に沿
つ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５
２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ツトを、滑らかな拡
大された矩形あるいは楕円型のスポツトに変換
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
ノズルを平均化する。

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。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、アナモルフイツクフイールドレ
ンズとして作用し、そこを通つて走査線が結像さ
れる。映し出された走査線の長さは、レンズ５２
の大きさ（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ツ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ーを使用できる
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、精密ミニチユア台に取りつ
けられ、この精密ミニチユア台は、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
てソフトウエ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
く拡張するために有用である。例えば、位置セン
サーあるいは検出器はいつでも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
されるパツ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、そのパツドに一致させ
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、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、ラテラルフオトダイオー
ドの線形測定範囲を越えている。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、深さに関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によつて拘束される）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、
ラテラルフオトダイオード（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、Si−Tek 2L2のようなラテラルフ
オトダイオードであつてよいが、好ましくは位置
検知方向に沿つて約６mmの幅と２mmの寸法を有す
る特別の矩形ラテラルエフエクト検出器である。
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
い。

検出器５３は、信号処理回路５８に接続されて
いるブリアンプに接続されており、その信号処理
回路５８は、光スポツトの中心を算定し、それに
よつて、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
スキヤ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
ることによつ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ける深さ測定の可
能性を提供する。

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。