JP2006064468A - 立体形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三角測量法で高さ測定を行う場合に、測定対象が金属面などの鏡面に近く非常に強い反射光により、ＰＳＤおよびその信号処理回路で発生する飽和現象による高さ測定異常を、低減・抑制することのできる、立体形状測定装置を提供する。
【解決手段】反射光８がＰＳＤ１０上での結像した像１１のサイズが高さ測定方向では小さく、走査方向では大きくなるように、受光光学系９のレンズ系を構成することにより、ＰＳＤ１０の飽和発生頻度を低減する。さらには信号処理回路１２に、特殊な飽和異常検出回路を設けることにより、飽和発生後の測定高さ異常を抑制することが出来る。
【選択図】図４

Description

本発明は立体形状測定装置で、さらに詳しくはレーザなどのスポット光を、ポリゴンミラーなどの走査手段により測定対象に照射・走査し、反射光を光位置検出素子（ＰＳＤ）で計測して、三角測量の原理により測定対象の高さを測定する装置に関するものであり、特に、高速に測定を行うにあたり、測定対象が金属面などの鏡面に近く非常に強い反射光が、位置検出素子（ＰＳＤ）に入射した場合、位置検出素子（ＰＳＤ）およびその信号増幅回路で発生する飽和現象による高さ測定異常を、低減・抑制するものである。

従来、立体形状を幾何光学的に測定する方法として、さまざまな光を物体に投影してその反射光を光検出器で測定する方法と、自然光や一般的な照明下で物体を複数の方向からカメラで測定し複数の画像間の相関により立体形状を求める方法の、大きく分けて２つの方法が存在している。

そして前者は更に光の投影方法と光検出器の種類、さらにその間の位置関係などにより、さまざまに分類される。産業機器などによく使われている従来の立体形状測定器の例を図９に示している。光源１から出た光をポリゴンミラーなどの回転鏡２で偏向し、ｆθレンズなどの集光・走査レンズ３で走査光４を集光して測定対象５上へのスポット光６ａ形成し、回転鏡２の回転によりスポット光６ａはスポット光６ｂまで直線（以下走査直線７とする）上を走査する。走査光４の方向ｚとは異なる方向の反射光８を、受光光学系９により集光して、位置検出素子１０上で像を形成する。位置検出素子１０の出力電気信号を信号処理回路１２で処理することで像の位置情報が求まり、三角測量法により、スポット光６が照射している測定対象の高さ情報を得る。スポット光６が測定対象５を走査直線７上を走査し、更に測定対象５が走査直線７の方向である主走査方向ｘと走査光４を含む面に垂直な方向（副走査方向ｙ）に回転鏡２の回転と同期して移動することにより、スポット光６は測定対象５を２次元走査し、各走査位置の高さ情報をメモリ上に保存して並べることにより、測定対象５の３次元立体形状が測定できる。

その場合，三角測量による高さ測定の問題点を図１０に示す．走査光４の方向ｚとは異なる方向から反射光８を測定するため，測定対象５の形状や反射率分布の影響を受けて，図１０（ａ）に示す死角の発生や図１０（ｂ）に示す多重反射による高さ測定誤差が生じる。そのため，測定対象５の形状が複雑な場合や輝度変化が激しい場合には，図１０（ｃ）に示すように複数の方向から反射光８ａ、８ｂ、８ｃを測定し，死角や多重反射の影響がない方向から測定した高さ出力値を選択・合成する必要が有る（例えば特許文献１参照。）。

位置検出素子１０としては、ＰＳＤが一般によく用いられている。その場合、図１１に示すように、スポット光６の照射点における測定対象５の反射指向性が金属面などの鏡面状態に近く、かつ、スポット光６の照射点における測定対象５の傾き角度が、受光光学系９の受光方向の角度θの半分のθ/２に近い場合、反射光８の方向とが受光光学系９の受光方向と一致するため、ＰＳＤ１０には非常に強い光が入射して、ＰＳＤ１０そのものやその後の信号処理回路１２が飽和して、高さ測定が不能になることがある。

その対策として、飽和現象はＰＳＤ１０や、信号処理１２内の信号増幅回路５１で発生するので、回路図１１（ａ）に示すように、ＰＳＤ１０の出力信号の強度が設定値より大きくなった場合は、ＰＳＤ１０あるいは信号増幅回路５１が飽和状態になっていることを検出する、飽和検出回路１３を設ける。飽和を検出した場合、信号増幅回路５１の増幅率を変更して再測定する場合や、光源１の強度を弱めて再測定する（例えば特許文献２、３参照）。また、図１１（ｂ）に示すように、１つのＰＳＤ１０に対して増幅率の異なる複数の信号増幅回路５１を設けて、出力信号の強度に応じて回路で飽和が発生しない最適な信号増幅回路５１の出力を選択する（例えば特許文献４参照）。
特許第３０６４５１７号公報 特許第２８１４３８９号公報 特許第２６６２０３６号公報 特許第２６４１８２０号公報

しかしながら、ＰＳＤ１０や信号増幅回路５１が飽和した場合、図１１（ａ）で示す対策では、再測定のため測定時間が余分にかかるという課題を有している。また、図１１（ｂ）の対策では、ＰＳＤ１０そのものが非常に強い反射光のため飽和した場合は、飽和検出不能になる課題を有している。

さらには、非常に強度な光が入射してＰＳＤ１０や信号増幅回路５１が飽和すると、入射光が弱まった後でも、飽和により貯まった電荷が放出されている間、一定時間計測不能になり、その間は出力信号が一定の比率で低下し続けることがある。そのため、図１１（ａ）（ｂ）両方の対策とも、出力信号が設定閾値以下の場合は飽和でないことになるので、この飽和後の測定不能時間中の異常出力信号が検出できない可能性があるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光学的な工夫によりＰＳＤ１０そのものの飽和発生頻度を低減する。また、飽和が発生してもその後の測定不能時間でも飽和状態を検出でき、さらには、飽和による測定不能領域を減ずることができる、立体形状測定装置を提供することを目的とする。

前記記載の課題を解決するために、本発明の立体形状測定装置は、光束を発生する手段と、前記光束を偏向する偏向走査手段と、前記偏向走査手段を通過した光束を測定対象上にスポット光を集光する走査集光手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する反射光集光手段と、前記反射光集光手段による前記反射光の集光位置を電気信号として出力する位置検出素子（ＰＳＤ）と、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段からの信号を前記測定対象までの距離情報に変換する信号変換手段からなり、前記位置検出素子（ＰＳＤ）上の前記反射光の集光像のサイズが、前記位置検出素子の前記測定対象の高さ方向に対応する位置検出方向に小さく、当該位置検出方向の直角方向に大きいことを特徴としたものである。

また、本発明の立体形状測定装置は、光束を発生する手段と、前記光束を偏向する偏向走査手段と、前記偏向走査手段を通過した光束を測定対象上にスポット光を集光する走査集光手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する反射光集光手段と、前記反射光集光手段による前記反射光の集光位置を電気信号として出力する位置検出素子（ＰＳＤ）と、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段からの信号を前記測定対象までの距離情報に変換する信号変換手段とを有し、更に、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの出力される電気信号レベルが所定の値と比較して大きい場合に飽和信号を出力する飽和検出手段と、前記飽和信号が出力された後、所定時間前記飽和信号に連続して飽和異常信号を出力する飽和異常検出手段と、を備えたものである。

また、本発明の立体形状測定装置は、光束を発生する手段と、前記光束を偏向する偏向走査手段と、複数個の反射光受光手段とを備え、前記反射光受光手段は、前記偏向走査手段を通過した光束を測定対象上にスポット光を集光する走査集光手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する反射光集光手段と、前記反射光集光手段による前記反射光の集光位置を前記測定対象の高さ方向に対応する位置検出方向に対する電気信号として出力する位置検出素子（ＰＳＤ）と、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段からの信号を前記測定対象までの距離情報に変換する信号変換手段からなり、更に、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの出力される電気信号レベルが所定の値と比較して飽和状態を示す飽和信号を出力する飽和検出手段と、前記飽和信号が出力された後、所定時間当該飽和信号に連続して飽和異常信号を出力する飽和異常検出手段と、を有し、前記飽和フラグが立っていない反射光受光手段からの信号を利用して距離情報を合成することを特徴としたものである。

本発明の立体形状測定装置によれば、非常に強い反射光がＰＳＤに入射した場合でも、位置検出素子（ＰＳＤ）や信号増幅回路の飽和発生の頻度を低減し、たとえ、飽和が発生しても測定不能範囲を低減することができる。

以下に、本発明の立体形状測定装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における立体形状測定装置の光学系構成図を示すものである。従来と異なる主要な点は、信号処理回路１２の中に飽和異常検出回路５６を内蔵することと受光光学系９の中のレンズ構成である。

図１において、光源１から出た光をポリゴンミラーなどの回転鏡２で偏向し、ｆθレンズなどの集光・走査レンズ３で走査光４を集光して測定対象５上へのスポット光６ａ形成し、回転鏡２の回転によりスポット光６ａはスポット光６ｂまで直線（以下走査直線７とする）上を走査する。走査光４の方向ｚとは異なる方向の反射光８を受光光学系９を介してＰＳＤ１０上に像として結像して、電気信号に変換した像の位置情報からスポット光６が照射している点の高さ情報を三角測量法により得る。スポット光６が測定対象を走査直線７上で走査することで、走査直線上の高さ情報を得ることができる。

以上のように構成された立体形状測定装置において、以下その動作、作用を説明する。

まず、受光光学系９は反射光８を、ＰＳＤ１０上に像１１を形成する。図２（ａ）は走査光４〜ＰＳＤ１０までの位置関係を走査方向ｘから観た図で、受光光学系９による反射光の受光方向をｗで示している。図２（ａ）に示すように、受光光学系９の作用により、測定対象５のスポット光６における高さがｈ変化して反射点が６ｃから６ｄに変化すると、ＰＳＤ１０上の像位置は１１ｃから１１ｄへＨ変化する。このとき、三角測量の原理から、Ｈとｈはほぼ比例関係にある。１１ｃ〜１１ｄの移動方向（以下像高さ方向ｙ’）をＰＳＤ１０の位置検出方向と一致させておくと、ＰＳＤ１０の両端からの２つの出力信号Ｉａ、Ｉｂは、像１１の位置によりほぼ線形に変化するので、例えば、Ｈ’＝Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ）で求まるＨ’が、位置検出素子上の像移動Ｈと同等になる。つまり、Ｈ‘の導出式（以下（式１）とする。）より、スポット光６における測定対象の高さｈを求めることができる。このように、受光光学系９は測定対象５の高さをＰＳＤ１０の像１１の移動に変換している。

測定対象までの距離が変化、即ち、高さが変化するとその高さ方向ｚの距離ｈがＰＳＤ１０上の像の移動距離と比例し、ＰＳＤ１０の出力信号ＩａとＩｂを利用して求めることができる。従って、ＰＳＤ１０からの出力される電気信号を測定対象までの距離情報に信号変換することができる。

一方、図２（ｂ）は、図２（ａ）と同じ対象を、副走査方向ｙから眺めた図であるが、図２（ｂ）に示すように、走査位置が走査直線７上をスポット光６ａからスポット光６ｂへ移動した場合、受光光学系９の作用により、ＰＳＤ１０上を像が１１ａから１１ｂへ移動する。この像の移動方向１１ａ〜１１ｂ（以下像走査方向ｘ’）は、像高さ方向ｙ’（つまりＰＳＤ１０の位置検出方向）とほぼ直角方向になるため、測定対象５の高さｈが変化しない限り、像走査方向ｘ’に像が移動しても、ＰＳＤ１０の位置検出方向に像位置が変化しないので、（式１）で求まる高さＨ’はほぼ一定の値になる。

ここで、ＰＳＤ１０上の像１１の像高さ方向ｙ’のサイズは０ではなく、図３（ａ）のように有限の大きさ２１となっている。そのため、（式１）で求まるＨ’は、ＰＳＤを正面から眺めた図３（ｂ）で示すように、像内の光強度分布が一様の場合は、像高さ方向ｙ’の像サイズ２１の重心位置２３ａを示すことになる。もし、像１１内の強度分布が一様でない場合、たとえば、図３（ｃ）に示すように、受光光学系９が受光できる範囲のうち一部のみ光が通過している場合は、像１２（ｄ）に示すように像１１中の一部２２のみ明るくなる。このとき、（式１）で求まるＨ’は、像２２の重心位置２３ｂを示しているため、２３ａ〜２３ｂの距離のうち、像高さ方向ｙ’の距離２４に相当する高さの測定誤差が発生する。

つまり、像高さ方向ｙ’の像サイズ２１が大きく、反射光８の強度分布に偏りが大きいと、高さ測定精度が悪くなることがある。こうした受光範囲のうち一部のみ反射光が通過する例として、図３（ｃ）に示すように、受光範囲の一部に物体がある場合や、測定対象５のスポット光６の位置の反射特性が鏡面に近く反射光８に強い指向性がある場合である。これらはいずれも一般的によく発生する現象なので、測定高さを高精度にするには、像高さ方向ｙ’の像サイズ２１を小さくする必要がある。

ここで、光学的な働きを説明するために、受光光学系を像高さ方向ｙ’と像走査方向ｘ’の２つの方向に分けて説明しているが、ＰＳＤ１０の位置検出方向を像高さ方向ｙ’と一致するようにＰＳＤ１０を配置しているので、像高さ方向ｙ’とはＰＳＤ１０の位置検出方向をいう。また、像走査方向ｘ’とはＰＳＤ１０の位置検出方向の直角方向と同等である。

一方、ＰＳＤ素子の特性として、非常に強い光が入射した場合、ＰＳＤ素子表面の単位面積あたりの光強度が大きくなるため、ＰＳＤ素子の出力が飽和状態になる。そのため、上記のように測定高さを高精度にするために、像サイズ２１を単純に小さくすると、ＰＳＤ素子上の像面積が小さくなるため、単位面積あたりの光強度が増加し、飽和が発生しやすくなる。そこで、測定高さ精度に影響しない方向の像サイズ、つまりは、像走査方向ｘ’（ＰＳＤ１０の位置検出方向に対して直角方向）の像サイズ２５を大きくし、かつ、測定高さ精度に影響のある方向の像サイズ、つまりは、像高さ方向ｙ’（ＰＳＤ１０の位置検出方向）の像サイズ２１を小さくすることで、飽和発生を抑えることができ、かつ測定高さを高精度にすることができる。

このように、ＰＳＤ１０上での像１１の形状を横長（像高さ方向ｙ’サイズ２１を小さく像走査方向ｘ’サイズ２５を大きく）にする手段を図４（ａ）に示す。これまでの図では、走査光４の方向ｚを垂直にしていたが、本図では反射光８の光軸方向ｗを水平にとり、受光光学系９及びＰＳＤの側面を、像走査方向ｘ’から眺めた側面図を上段に、像高さ方向ｙ’から眺めた側面図を下段に示している。よって、上段図では像高さ方向ｙ’が図中では上下方向になり、下段図では走査方向ｘおよび像走査方向ｘ’が図中では上下方向になる。この場合、受光光学系９による反射光８の集光距離を、像高さ方向ｙ’と像走査方向ｘ’で変更して非点収差を発生させ、ＰＳＤ１０は像高さ方向ｙ’の集光距離に配置することで、実現できる。

像サイズは集光位置で最小になり、集光位置からの距離に比例して大きくなる。そのため、ＰＳＤ１０の位置を像高さ方向ｙ’の集光位置と一致させることで、ＰＳＤ１０上での高さ方向ｙ’の像１１のサイズ２１が小さくなる。一方、像走査方向ｘ’の集光位置は、図４（ａ）に示すように、ＰＳＤ１０から離れているので、像走査方向ｘ’のＰＳＤ１０上の像１１のサイズ２５は大きくなる。

受光光学系９の構成の例としては、図４（ｂ）に示すように、像高さ方向ｙ’に広がる光に対して集光作用をもつ円筒レンズ２６ａと、像走査方向ｘ’に広がる光に対して集光作用をもつ円筒レンズ２６ｂを夫々配置する方法がある。

即ち、円筒レンズは、レンズ作用をもつ断面部とレンズ作用のない断面部をもつため、１点から広がる入射光に対して、レンズ作用を持つ断面方向では光の角度が変化して射出光は集光するが、作用のない断面方向では光の角度は変化せず射出光は入射光と同じになる。本例では、円筒レンズ２６ａは、上段図に示すように、レンズ作用により像高さ方向ｙ’に広がる拡散入射光の角度を変化させて、射出光をＰＳＤ１０上の像１１で集光しているが、下段図ではレンズ作用がないため、像走査方向ｘ’に集束している入射光をそのまま射出している。逆に、円筒レンズ２６ｂは、下段図では、レンズ作用により像走査方向ｘ’に広がる入射光の角度を変化させて、ＰＳＤ１０近傍で集光しているが、上段図では像高さ方向ｙ’に広がる入射光をそのまま射出している。

円筒レンズ２６ａによる集光像の位置と、円筒レンズ２６ｂによる集光像の位置が異なるように、夫々のレンズの焦点距離と配置位置を決めて非点収差を発生させ、ＰＳＤ１０上の位置を、円筒レンズ２６ａによる像高さ方向ｙ’の集光像の位置に一致させることで、ＰＳＤ１０上の像１１のサイズを、像高さ方向ｙ’の像サイズ２１を最小にし、像走査方向ｘ’の像サイズ２５を大きくした、横長の像サイズにできる。

なお、こうした非点収差を発生する２種類の円筒レンズ２６ａと２６ｂの具体的な配置の例として、２種類の円筒レンズが共に凸レンズで焦点距離が同じ正の値で、かつ円筒レンズ２６ａが、スポット光６とＰＳＤ１０の中央に位置した場合について説明する。

レンズの光学作用により点物体からの拡散光は点像に結像する。このとき、レンズから物体までの距離ｓとレンズから像までの距離ｓ’の関係は、レンズの焦点距離をｆとすると、レンズ近軸公式から、１/ｓ＋１/ｓ’＝１/ｆ となる。この関係から、物体から像までの距離ｓ＋ｓ’＝ｓ^２/（ｓ−ｆ） が求まり、レンズから物体までの距離ｓが焦点距離の２倍２ｆに等しいとき、物体から像距離ｓ＋ｓ’が最小値４ｆ（レンズ焦点距離ｆの４倍）になる（レンズから像までの距離ｓ’は２ｆ）。そして、レンズと物体までの距離ｓがｆより大きくかつ２ｆ以外の場合は、物体〜像までの距離ｓ＋ｓ’は前記の式から、常に４ｆより大きくなることは明らかである。

よって、図１０（ｂ）において、円筒レンズ２６ａの反射光８の発光点となるスポット光６からの距離が、焦点距離の２倍の位置にあるとき、円筒レンズ２６ａの像位置すなわちＰＳＤ１１の位置は、スポット光６からの距離で焦点距離の４倍になり、円筒レンズ２６ａは、スポット光６とＰＳＤ１０の中央に位置する。一方、円筒レンズ２６ｂは、物理的に円筒レンズ２６ａと同じ位置に配置できないため、スポット光６から円筒レンズ２６ｂの距離は、焦点距離の２倍には一致しない。そのため、円筒レンズ２６ｂによる像の、スポット光６からの距離は、必ず焦点距離の４倍より大きくなり、図１０（ｂ）の下段図で示すように、像位置がＰＳＤ１０から光の進行方向に離れた位置となり、非点収差が発生する。

以上、図１０（ｂ）において、円筒レンズ２６ａと２６ｂの焦点距離が正の値で等しい場合の例で述べたが、このように、レンズの近軸公式およびそれから導かれる物体〜像距離の式が示すように、上記の例以外の条件でも、レンズ焦点距離とスポット光からレンズまでの距離を、適切に配置することで、非点収差を発生することができることはいうまでもない。

また、図４（ｃ）に示すように、球面レンズ２６ｃと一方向のみ集光用の円筒レンズ（本例では像高さ方向ｙ’を集光する円筒レンズ２６ａ）を組合わせる方法もある。この例の場合、球面レンズ２６ｃでは集光作用は全方向に働くので、反射光８は球面レンズ２６ｃを通過後の射出光は一点で集光する。円筒レンズ２６ａを球面レンズ２６ｃの後方に配置すると、上段図に示すように像高さ方向ｙ’に集束する光に対しては作用を施して、射出光の集光位置が変化する（本図の場合、円筒レンズ３６ａの焦点距離が正のため、集光距離が短くなっている）。しかし、下段図で示すように像走査方向ｘ’に集束する光に対してはなんら作用しないので、射出光の集光位置は変化せず、非点収差が発生する。本例では、円筒レンズ２６ａを球面レンズ２６ｃの後方に配置する例で示したが、球面レンズ２６ｃの前方に配置しても、また、円筒レンズを２６ｂにしても同様の効果で、非点収差が発生するのは言うまでもない。

このように、受光光学系９のパワー（屈折力）を像高さ方向と像走査方向で違えることにより、非点収差が発生し像を横長にできる。

また、像１１の形状を横長にする他の手段として、像側のＮＡ（開口）を像高さ方向ｙ’と像走査方向ｘ’で違えることでも、実現できる。一般的に、ＮＡが大きい場合、集光位置（ビームウェスト）における像サイズは小さくなるが、焦点深度が狭くなるため集光位置から離れると（デフォーカス時）の像サイズは逆に大きくなる。そのため、測定対象の測定範囲（走査範囲と高さ範囲）をスポット光６が動いた場合の、ＰＳＤ１０上のデフォーカスが小さい場合は、図５（ａ）に示すように、像高さ方向ｙ’のＮＡを大きくし、像走査方向ｘ’のＮＡを小さくすることで、像サイズを横長にできる。逆に、測定範囲におけるＰＳＤ１０上のデフォーカスが大きい場合は、像高さ方向ｙ’のＮＡを小さくし、像走査方向ｘ’のＮＡを大きくすることで、像サイズを横長にできる。具体的には、例えば図５（ｂ）に示すように受光範囲を決める絞りサイズを、像走査方向ｘ’と像高さ方向ｙ’で違えることで実現できる。

当然、図３、図４で述べた２つの方法（非点収差による方法と、方向によりＮＡ変更する方法）を組み合せることで、像サイズを横長にすることができる。また、光学設計の自由度が高まることから、より効果的に実現できる。

図６は、本発明の第２の実施例における立体形状測定装置のＰＳＤ信号処理回路１２のブロック図である。

図６において、ＰＳＤ１０からの２つの出力信号Ｉａ、Ｉｂは、信号増幅回路５１により増幅され、アナログデジタル変換回路５２によりデジタル信号に変換された後、高さ演算回路５３により（式１）の演算を行い、測定高さＨ’を得る。さらに、Ｈ’を補正回路５４により各種歪を補正して、スポット光６の照射位置における測定対象の高さｈを得ることができる。また、ＰＳＤ１０からの出力信号Ｉａ、Ｉｂを、設定した２つの値（上限値、下限値）と上限下限比較回路５５により比較を行い、上限値より大きい場合や、下限値より小さい場合は、高さ演算不能のフラグを出力する。さらに、飽和異常検出回路５６により、Ｉａ、Ｉｂを設定した飽和上限値と比較を行い、飽和上限値より大きな場合は、設定した一定時間（飽和復帰時間）の間、飽和フラグを出力する。

以上のように構成されたＰＳＤ信号処理回路１２の各ブロックにおいて、以下その動作、作用を説明する。

ＰＳＤ出力信号Ｉａ、Ｉｂが小さい場合、ＳＮが悪くなるため、高さ演算回路５３で（式１）により得る測定高さＨ’の精度は悪くなる。また逆に、Ｉａ、Ｉｂが大きい場合は、信号増幅回路５１で歪が発生したり、アナログデジタル変換回路５２の上限の固定値になるため、高さ演算回路５３に入力される信号に誤差が含まれるため、やはり、測定高さＨ’の精度は悪くなる。このため、ＰＳＤ１０からのそれぞれの出力信号Ｉａ、Ｉｂに対して、上限下限比較回路５５により、設定した上限や下限と比較を行い、範囲を超えた場合は高さ演算不能フラグを出力することで、精度の悪い測定高さＨ’を除外することができる。

ところで、図７に示すように、時間ｔ０においてＰＳＤ１０に非常に強い反射光が入射してＰＳＤ１０や信号増幅回路５１がアナログ的に飽和した場合、アナログ素子に貯まった電荷が外部に吐き出すのにある一定時間（飽和復帰時間）がかかる。そのため、時間ｔ１において反射光強度が通常に戻った後も、時間ｔ３までの間、ＰＳＤ出力信号は徐々に小さくはなるものの、正しい値ではない。上記の上限下限検出回路５５の働きにより、ＰＳＤ出力信号が上限値より大きい間（時間ｔ０〜ｔ２）は、演算不能フラグが出力されるため、異常な測定高さＨ’を防ぐことができる。しかし、ＰＳＤ出力信号が、上限下限検出回路５５の上限値より小さいにも拘らず、正常でない信号がでている間（時間ｔ２〜ｔ３）は、異常な測定高さＨ’を防ぐことができなくなる。

そこで、飽和検出回路５６により、ＰＳＤ出力信号が設定した飽和上限値より大きくなった場合は、ＰＳＤ１０や信号処理回路５１が飽和しているとみなして、設定した一定時間の間（時間ｔ０〜ｔ４）、飽和フラグを出力し、飽和電荷を放出している間の異常な測定高さＨ’を除くことができる。

飽和検出回路５６に設定する飽和フラグ出力時間（ｔ０〜ｔ４）の値は、飽和復帰時間（ｔ０〜ｔ３）を実測して、それを超える時間とする。飽和復帰時間（ｔ０〜ｔ３）の測定は、反射光が最大になる対象物が全反射する鏡面物体の測定結果、例えば、図１１に示したような対象物５を、金属球を平面に埋め込んだ物体とした場合の、飽和現象から実測する。この場合、金属球の正反射光８が受光光学系９に入射する条件となる、金属球表面傾斜角度がθ/２の位置に走査光４が達した瞬間が、ＰＳＤ１０や信号増幅回路５１が飽和する時間ｔ０となる。その後、回転鏡２の回転により走査光４が走査直線７上を動いて平面上を走査していても、飽和復帰時間（ｔ０〜ｔ３）の範囲内の場合は、前述のＨ’＝Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ）の式を用いて求まる測定高さデータに誤差が生じ、平面部の高さと一致しなくなる。

即ち、図１１にて説明したように、光源１から出た走査光４が金属球のような測定対象５に入射する場合において、測定対象５の傾き角度がθ／２となる場合、θの反射角度で受光光学系９に入射することとなるので、走査光が受光方向の角度θの略半分となる場合、ＰＳＤ１０には、非常に強い光が入射して飽和状態になり、測定高さデータに誤差が生じる。

このように、金属球からの反射光での飽和発生後、平面上での測定高さデータが平面上の真の高さに対する誤差が、必要な測定高さ精度に対して、小さくなる時間がｔ３となる。この飽和発生ｔ０〜飽和終了ｔ３の時間間隔が、飽和復帰時間（ｔ０〜ｔ３）となり、それに対して、各種個体差（回路特性・光学特性）を見込んだ比率を乗じた値が、飽和フラグ出力時間（ｔ０〜ｔ４）となり、飽和検出回路５６に設定する。

図８は、本発明の第３の実施例における立体形状測定装置の受光光学系配置図およびＰＳＤ信号処理ブロック図である。

図８（ａ）において、スポット光６の走査直線７の周囲に、４組の受光光学系９とＰＳＤ１０が配置されており、各組を添え字ア〜エで示している。図８（ｂ）は走査光４の方向ｚからみた平面図を示しており、受光光学系９アと走査線７のなす角度のうち、走査線７を含む走査光４に垂直な面（走査平面ｘｙ）に投影した、平面角はαである。受光光学系９イ〜９エの相互の配置角度は平面角がβアイ〜βウエとなっている。また、各ＰＳＤ１０からの出力信号は、添え字ア〜エで示される４組の信号増幅回路５１〜飽和検出回路５６（以下信号処理回路１２とする）で並列に処理された後、４組の測定高さデータｈア〜ｈエ、および演算不能フラグｆア〜ｆエ、飽和フラグｓア〜ｓエが、出力される。これら４組１２個のデータは、高さ合成回路５７により処理されて、スポット光６における測定対象の高さｈ１、ｈ２…（１個以上）を得る。

以上のように構成されたＰＳＤ信号処理ブロックにおいて、以下その動作、作用を説明する。

スポット光６において、測定対象の光学的反射特性が鏡面に近い場合、測定対象からの反射光８は、強度が走査光とほぼ同じで、指向性の強い光となる。４方向からこの反射光を測定した場合、ある方向の受光光学系９にこうした指向性の強い反射光８が入射して、ＰＳＤ１０や信号増幅回路５１が飽和状態になった場合、他の受光光学系９には弱い反射光８しか入射せず、そのＰＳＤ１０や信号増幅回路５１も飽和にならない。特に、４つの受光光学系の相互の配置角度（βアイ〜βウエ）を大きくする（例えば９０°間隔など）と、２つ以上のＰＳＤ１０や信号増幅回路５１が同時に飽和になる可能性は殆どなくなる。

そのため、高さ合成回路５７において、飽和フラグが出力されている信号処理系の測定高さｈを無効としても、残りの信号処理系の高さｈは無効でないので、この無効でない測定高さｈから、スポット位置における測定対象の高さｈを合成することができる。つまり、同時に４方向から測定することにより、飽和フラグを判定し飽和フラグの出力されていない信号処理系を利用する事で、鏡面測定対象での、飽和による測定高さ異常を、抑えることが出来る。

高さ合成回路５７では、このように、複数の測定高さから異常な測定高さを除去し、正常な測定高さから最終的な測定高さを生成する。異常現象としては、本特許で述べた飽和現象のほかに、図１０で示した死角領域や二重反射などがある。こうした様々な異常現象に対応するため、高さ合成回路５７における高さを合成するアルゴリズムは、測定対象５の条件、複数の受光方向の配置条件や、信号処理回路１２の出力内容に応じて、異なってくる。さらに、こうした条件の組合せによっては、高さ合成回路５７が出力する測定高さは、複数の異常現象全てに対応するのが困難な場合があり、その際には、複数の測定高さ（ｈ１、ｈ２、...）を出力する。そして、測定高さデータを用いた検査処理をソフトウェアで行う際に、周囲の条件などにより、複数の高さデータから適切なデータを選択・組合せて、良否の判定を行う。こうした高さ合成アルゴリズム中に、上記の飽和フラグ使用のアルゴリズムを組込む。

なお、本実施例では、受光光学系および信号処理系を４組としたが、２個以上の複数の場合でも、同様の効果がある。

以上、本発明の実施の形態を実施例１〜３で述べたが、実施例１を、実施例２または実施例３と組み合わせた形態も当然存在し、それぞれ独立した効果を発揮し、より効果的にＰＳＤ飽和による測定高さの異常を抑えることが出来る。

本発明にかかる立体形状測定装置は、測定対象が鏡面反射した場合のＰＳＤ飽和による高さ異常の発生を抑える効果を有し、主に実装基板の実装工程における実装部品の装着状態（姿勢・半田状態など）を検査する計測システムとして有用である。

本発明にかかる立体形状測定装置は、測定対象の光学的条件が鏡面から低輝度反射率まで各種混在していても、高精度・高速に高さ測定ができるため、多様な対象物を高速高精度に立体形状を測定することが必要な、半導体製造工程や液晶パネル製造工程における、検査装置の計測システムに応用できる。

本発明の実施例１における立体形状測定装置の構成図 （ａ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の高さによる像移動を説明するための図 （ｂ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の走査位置による像移動を説明するための図 （ａ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の像サイズを示す図 （ｂ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の反射光の均一入射時の像重心位置を説明するための図 （ｃ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の反射光の一部通過時の像サイズを説明するための図 （ｄ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の反射光の部分入射時の像重心位置と高さ誤差を説明するための図 （ａ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９の非点収差による横長像構成を説明するための図 （ｂ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９を２つの円筒レンズで構成した場合を説明するための図 （ｃ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９を球面レンズと１つの円筒レンズで構成した場合を説明するための図 （ａ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９をデフォーカスが小さいレンズ系で構成した場合を説明するための図 （ｂ）実施例１における立体形状測定装置の受光光学系９をデフォーカスが大きいレンズ系で構成した場合を説明するための図 本発明の実施例２における立体形状測定装置の信号処理ブロック図 実施例２における立体形状測定装置の飽和検出回路５６の作用を説明するための図 （ａ）本発明の実施例３における立体形状測定装置の受光光学系の構成を示す図 （ｂ）本発明の実施例３における立体形状測定装置の受光光学系の構成の平面図 （ｃ）本発明の実施例３における立体形状測定装置の信号処理ブロック図 従来の立体形状測定装置の構成図 （ａ）従来の立体形状測定装置の三角測量の死角を説明するための図 （ｂ）従来の立体形状測定装置の三角測量の二重反射を説明するための図 （ｃ）従来の立体形状測定装置の三角測量の複数方向の受光状態を説明するための図 （ａ）従来の立体形状測定装置のＰＳＤ飽和時における信号処理回路を説明するための図 （ｂ）従来の立体形状測定装置のＰＳＤ飽和時における他の信号処理回路を説明するための図

符号の説明

１ 光源
２ 回転鏡
３ 集光・走査レンズ
４ 走査光
５ 測定対象
６、６ａ〜６ｄ スポット光
７ 走査直線
８ 反射光
９、９ア〜９エ 受光光学系
１０、１０ア〜１０エ 位置検出素子（ＰＳＤ）
１１、１１ａ〜１１ｄ ＰＳＤ上の反射光の集光像
１２、１２ア〜１２エ 信号処理回路
１３ 飽和検出回路
２１ 像１１の像高さ方向のサイズ
２２ 反射光が一部欠けた場合の像１１の形状
２３ａ 像１１が均一分布の場合の重心位置
２３ｂ 像１１が一部欠けた場合（２２）の場合の重心位置
２４ 重心位置２３ａと２３ｂの距離
２５ 像１１の像走査方向のサイズ
２６ａ 受光光学系９を構成する円筒レンズ（像高さ方向を集光）
２６ｂ 受光光学系９を構成する円筒レンズ（像走査方向を集光）
２６ｃ 受光光学系９を構成するレンズ（像高さ・像走査の両方向を集光）
５１ 信号増幅回路
５２ アナログデジタル変換回路
５３ 高さ演算回路
５４ 高さ補正回路
５５ 上限下限比較回路
５６ 飽和異常検出回路
ｘ 走査方向
ｙ 副走査方向
ｚ 走査光４の方向、高さ方向
ｗ 反射光８の方向
ｘ’ 像走査方向
ｙ’ 像高さ方向

Claims (9)

1. 光束を発生する手段と、前記光束を偏向する偏向走査手段と、前記偏向走査手段を通過した光束を測定対象上にスポット光を集光する走査集光手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する反射光集光手段と、前記反射光集光手段による前記反射光の集光位置を電気信号として出力する位置検出素子（ＰＳＤ）と、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段からの信号を前記測定対象までの距離情報に変換する信号変換手段からなり、前記位置検出素子（ＰＳＤ）上の前記反射光の集光像のサイズが、前記位置検出素子の前記測定対象の高さ方向に対応する位置検出方向に小さく、当該位置検出方向の直角方向に大きいことを特徴とする立体形状測定装置。
2. 前記反射光集光手段のパワーを前記位置検出方向と前記直角方向で違えることにより非点収差を発生することを特徴とする請求項1に記載の立体形状測定装置。
3. 前記反射光集光手段の開口サイズを前記位置検出方向に大きくし、前記直角方向に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の立体形状測定装置。
4. 光束を発生する手段と、前記光束を偏向する偏向走査手段と、前記偏向走査手段を通過した光束を測定対象上にスポット光を集光する走査集光手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する反射光集光手段と、前記反射光集光手段による前記反射光の集光位置を電気信号として出力する位置検出素子（ＰＳＤ）と、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段からの信号を前記測定対象までの距離情報に変換する信号変換手段とを有し、
   更に、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの出力される電気信号レベルが所定の値と比較して大きい場合に飽和信号を出力する飽和検出手段と、前記飽和信号が出力された後、所定時間前記飽和信号に連続して飽和異常信号を出力する飽和異常検出手段と、
   を備える立体形状測定装置。
5. 前記位置検出素子（ＰＳＤ）上の集光像のサイズが、当該位置検出素子の前記測定対象の高さ方向に対応する位置検出方向に小さく、当該位置検出方向の直角方向に大きいことを特徴とする請求項４に記載の立体形状測定装置。
6. 前記反射光集光手段のパワーを前記位置検出方向と前記直角方向で違えることにより非点収差を発生することを特徴とする請求項５に記載の立体形状測定装置。
7. 光束を発生する手段と、前記光束を偏向する偏向走査手段と、複数個の反射光受光手段とを備え、
   前記反射光受光手段は、前記偏向走査手段を通過した光束を測定対象上にスポット光を集光する走査集光手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する反射光集光手段と、前記反射光集光手段による前記反射光の集光位置を前記測定対象の高さ方向に対応する位置検出方向に対する電気信号として出力する位置検出素子（ＰＳＤ）と、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの前記電気信号を増幅する信号増幅手段と、前記信号増幅手段からの信号を前記測定対象までの距離情報に変換する信号変換手段からなり、
   更に、前記位置検出素子（ＰＳＤ）からの出力される電気信号レベルが所定の値と比較して飽和状態を示す飽和信号を出力する飽和検出手段と、前記飽和信号が出力された後、所定時間当該飽和信号に連続して飽和異常信号を出力する飽和異常検出手段と、
   を有し、
   前記飽和フラグが立っていない反射光受光手段からの信号を利用して距離情報を合成することを特徴とする立体形状測定装置。
8. 前記複数の反射光受光手段の中に含まれる前記位置検出素子（ＰＳＤ）上の集光像のサイズが、前記位置検出素子の前記測定対象の高さ方向に対応する位置検出方向に小さく、当該位置検出方向の直角方向に大きいことを特徴とする請求項７に記載の立体形状測定装置。
9. 前記反射光集光手段のパワーを前記位置検出方向と前記直角方向で違えることにより非点収差を発生することを特徴とする請求項８に記載の立体形状測定装置。