JP3554268B2 - 光ビーム照射測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ビーム放射器から対象物に光ビームを放射して同対象物の表面に照射スポットを形成するとともに、同対象物からの反射光を受光して、光ビーム放射器から対象物の表面の照射スポットまでの距離又は対象物の表面の３次元形状を測定する光ビーム照射測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置は、例えば特開平１０−３８５１１号公報に示されているように、異なる対象物の表面の反射率の違い、同一の対象物であっても位置の違いなどによる反射率の違いにより、反射光の光量が変化して測定精度が悪くなることを防止するために、次のような対策を採用していた。第１の対策は、前記距離又は３次元形状の測定のための受光器に導かれる反射光の一部をビームスプリッタにより取り出すとともに、受光量を検出するためのフォトセンサに導いて、フォトセンサによって検出された受光量によって光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を補正するものである。また、第２の対策は、前記距離又は３次元形状の測定のための受光器にて受光された反射光を用いて、前記距離又は３次元形状の測定とは別に反射光の光量を導出して、この導出した光量によって光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を補正するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の第１の対策にあっては、前記距離又は３次元形状を測定するための受光器にて受光する反射光の光量が減少するので、距離又は３次元形状の測定の精度が悪化するという問題があった。また、ビームスプリッタはある程度の大きさを必要とするとともに安価ではないので、装置全体が大きくなったり、製造コストが高くなるという問題もあった。また、第２の対策にあっては、前記距離又は３次元形状を測定するための受光器は、通常独立した複数の受光素子で構成されているので、これらの各受光素子から検出信号を取り出すのにある程度の時間を必要とし、また取り出した検出信号から反射光の光量を導出するための時間も必要とするので、リアルタイムで光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を補正することができないという問題がある。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、安価かつ装置全体を大きくすることなく、光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量をリアルタイムで補正して、距離又は３次元形状の測定精度を良好にした光ビーム照射測定装置を提供することにある。
【０００５】
本発明者らは、前記目的を達成するための種々の試みを行っている間に、距離又は３次元形状の測定のために対象物からの反射光を受光する受光器においても、一部の光が反射していることを発見した。そして、この受光器からの反射光に着目し、同受光器からの反射光の光量を検出して、光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を前記検出光量を用いて補正することを考えた。
【０００６】
この考えを用いて構成した本発明は、対象物に向けて光ビームを放射して同対象物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射器と、対象物の表面からの反射光を光ビーム放射器から対象物の表面の照射スポットまでの距離に応じた位置にて受光する受光器とを備え、受光器にて受光した反射光の位置に応じて光ビーム放射器から対象物の表面の照射スポットまでの距離又は対象物の表面の３次元形状を測定する光ビーム照射測定装置において、受光器の受光面から反射する反射光を受光して同反射光の受光量を検出するフォトセンサと、フォトセンサによって検出された受光量に応じて光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量を補正する光量補正手段とを設けたことを特徴としている。
【０００７】
この場合、例えば、前記受光器を複数の受光素子を一列に配列させたラインセンサにより構成し、かつ前記フォトセンサを前記ラインセンサを構成する複数の受光素子の配列方向に対応させて長尺状に形成するとよい。
【０００８】
これによれば、比較的大きくかつコストの高いビームスプリッタを用いる必要もなく、またビームスプリッタのように反射光を分けることをしていないので、受光器にて受光される反射光の光量が減少することもなく、距離又は３次元形状の測定の精度が良好になるとともに、装置全体をコンパクトかつ安価に製造できる。また、受光器からの反射光の光量はフォトセンサにより簡単かつ迅速に取り出すことが可能であるので、光ビーム放射器から対象物に放射される光ビームの光量をリアルタイムで補正することもできる。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る光ビーム照射測定装置の概略図である。
【００１０】
この光ビーム照射測定装置は、レーザ光源１１、集光レンズ１２、光量制御回路１３などからなる光ビーム放射器１０を備えている。レーザ光源１１は、半導体レーザなどで構成されており、レーザ光を集光レンズ１２に向けて放射する。集光レンズ１２は、対象物ＯＢの表面に小さな照射スポットを形成するために、レーザ光源１１から放射されたレーザ光を集光する。光量制御回路１３は、レーザ光源１１を制御して、同レーザ光源１１から放射されるレーザ光の光量を制御する。
【００１１】
集光レンズ１２によって集光されたレーザ光の進路には、対象物ＯＢの表面における照射スポットの位置を変更して対象物ＯＢの表面を同照射スポットで走査するための走査用光学系２０が設けられている。走査用光学系２０は、レーザ光を反射する複数のミラー、複数のミラーのうちのいずれかを回動させる電動モータ、同電動モータの回転角を検出する回転角センサなどを備えている。そして、回転角センサによる検出信号は後述するコントローラ４０に供給され、電動モータが前記検出信号を用いてコントローラ４０によって回転制御されて、ミラーの回動によりレーザ光の反射方向が変更されて、照射スポットが対象物ＯＢの表面を２次元的（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に走査するようになっている。
【００１２】
また、この光ビーム照射測定装置は、結像レンズ３１及びラインセンサ（受光器）３２も備えている。結像レンズ３１は、対象物ＯＢからの反射光をラインセンサ３２上に結像する。ラインセンサ３２は、ＣＣＤなどの複数の受光素子を一列に配置して長尺状に構成されており、レーザ光源１１から走査用光学系２０を介した対象物ＯＢの照射スポットまでの距離を、複数の受光素子のうちで対象物ＯＢからの反射光を受光した受光素子の位置により検出するものである。具体的には、図２に示すように、前記距離が長い場合（図示、対象物ＯＢの実線参照）には、ラインセンサ３２の図示上部に位置する受光素子が反射光を受光する。また、前記距離が短い場合（図示、対象物の２点鎖線参照）には、ラインセンサ３２の図示下部に位置する受光素子が反射光を受光する。
【００１３】
また、結像レンズ３１の光軸Ｌ１は、ラインセンサ３２の中央を通過するように設定しておくとよい。また、レーザ光源１１からのレーザ光の対象物ＯＢ表面における反射位置がレーザ光源１１に近くなるにしたがって反射光の焦点位置は結像レンズ３１から遠くなるので、ラインセンサ３２の受光面の延設方向（すなわち長尺方向）は、光軸Ｌ１に対して９０度から所定角度だけ傾けて設定されている。装置自体の構造により、光軸Ｌ１とラインセンサ３２の受光面の延設方向との間の図示角度θは、４２．５度〜６０．０度の間に決められた角度に設定される。また、この傾斜により、ラインセンサ３２による反射光の反射方向と、結像レンズ３１からラインセンサ３２に入射する対象物からの反射光の方向とが重ならず、ラインセンサ３２による反射光を後述するフォトセンサ６１に導き易くなる。
【００１４】
このラインセンサ３２にはセンサ信号取出し回路３３が接続されている。センサ信号取出し回路３３は、ラインセンサ３２の各受光素子から反射光の受光量を表す信号を順次取出してコントローラ４０に供給する。
【００１５】
コントローラ４０は、前述のように、回転角センサによる検出信号を入力して電動モータを回転させることによりミラーを回動させて、対象物ＯＢの表面を照射スポットで２次元的（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に走査する機能を有する。また、コントローラ４０は、自動的又は手動操作により設定されてレーザ光源１１から放射されるレーザ光の光量を表す光量指令信号を光量制御回路１３に出力する機能、及びセンサ信号取出し回路３３からの出力信号を入力してレーザ光源１１から対象物ＯＢの表面までの距離を測定するとともに同距離に基づいて対象物ＯＢの表面の３次元形状を測定する機能を有する。なお、これらの距離及び３次元形状の測定演算は、ラインセンサ３２にて反射光を受光した受光素子の位置、すなわちラインセンサ３２における反射光の受光位置に基づいて、３角測量法の原理を用いて行われる。また、このコントローラ４０は、通常マイクロコンピュータなどで構成されてプログラム制御されるが、ハード回路で構成するようにしてもよい。
【００１６】
コントローラ４０と光量制御回路１３との間には、光量指令補正回路５０が接続されている。光量指令補正回路５０は、コントローラ４０からの光量指令信号を後述する補正信号発生回路６２からの補正信号に応じて補正して、同補正された光量指令信号を光量制御回路１３に供給する。
【００１７】
また、この光ビーム照射測定装置は、ラインセンサ３２から反射される反射光を受光して同受光した反射光の受光量を検出するためのフォトセンサ６１を備えている。フォトセンサ６１は、図１〜３に示すように、長尺の直方体状に形成した基板６１ａ上に、長尺状の方形に形成されてフォトダイオード、フォトトランジスタ、フォト抵抗などのいずれかからなる光学センサ素子６１ｂを固着させたものである。この光学センサ素子６１ｂは、ラインセンサ３２の受光面に対向して、同ラインセンサ３２を構成する全ての受光素子からの反射光を受光できるように構成され、前記長尺方向はラインセンサ３２を構成する複数の受光素子の配列方向に対応している。
【００１８】
フォトセンサ６１には、補正信号発生回路６２が接続されている。補正信号発生回路６２は、フォトセンサ６１によって検出されたラインセンサ３２による反射光の受光量に応じた補正信号を光量指令補正回路５０に出力する。すなわち、補正信号発生回路６２は、前記反射光の受光量が所定の基準量よりも小さければ、コントローラ４０からの光量指令信号を光量の増加を表す方向に補正するための補正信号を光量指令補正回路５０に出力する。前記反射光の受光量が所定の基準量よりも大きければ、コントローラ４０からの光量指令信号を光量の減少を表す方向に補正するための補正信号を光量指令補正回路５０に出力する。
【００１９】
次に、上記のように構成した実施形態の動作を説明する。コントローラ４０は、自動的又は手動操作により設定されて、レーザ光源１１から放射されるレーザ光の光量を表す光量指令信号を光量指令補正回路５０を介して光量制御回路１３に出力する。これにより、レーザ光源１１は、光量制御回路１３に制御されて、前記光量指令信号に対応した光量のレーザ光を集光レンズ１２に向けて放射する。集光レンズ１２は、前記レーザ光源１１からのレーザ光を集光して走査用光学系２０との協働により対象物ＯＢの表面の所定位置に小さな照射スポットを形成する。
【００２０】
この対象物ＯＢの表面上の照射スポットの形成により、同表面からレーザ光が反射され、この反射光は結像レンズ３１によってラインセンサ３２上に結像される。この結像は、ラインセンサ３２を構成する複数の受光素子のうちの一つ若しくは少数の受光素子であって、レーザ光源１１から前記照射スポットまでの距離に対応した受光素子に対してなされる。そして、センサ信号取出し回路３３によって、前記結像すなわち反射光を受光した受光素子を表す信号がコントローラ４０に供給される。コントローラ４０は、前記供給された信号に基づいて、レーザ光源１１から対象物ＯＢの表面の照射スポットまでの距離を３角測量法の原理を用いて計算する。
【００２１】
一方、コントローラ４０は、走査用光学系２０内の回転角センサによる検出信号を入力して、この検出信号を用いて同光学系２０内の電動モータを回転させることにより、同光学系２０内の一部のミラーを回動させて、前記照射スポットを対象物ＯＢの表面上で２次元的（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させて、同対象物ＯＢの表面を順次走査する。そして、コントローラ４０は、各照射スポット毎に、前述のようにして、レーザ光源１１から対象物ＯＢの表面の照射スポットまでの各距離を順次計算する。したがって、対象物ＯＢの表面の前記走査完了後には、同対象物ＯＢの表面を２次元的に細かく分割した各分割位置毎に、レーザ光源１１から対象物ＯＢの前記各分割位置までの各距離が全て測定される。
【００２２】
そして、最後に、コントローラ４０は、これらの各分割位置の各測定距離を用いて、画像処理によって対象物ＯＢの表面の３次元画像を生成する。
【００２３】
このような各分割位置の距離の測定中、ラインセンサ３２は、対象物ＯＢの表面からの反射光を受光する一方、同反射光の一部を反射する。本発明者らによる実験により、この反射光の光量は、ラインセンサ３２による受光量の１０％程度であることが分かっている。図３に、この反射光の受光部分を細かな点によって示している。この反射光はフォトセンサ６１によって受光され、同センサ６１は前記受光した反射光の受光量を表す検出信号を補正信号発生回路６２に出力する。
【００２４】
補正信号発生回路６２は、前記反射光の受光量が所定の基準量よりも小さければ、コントローラ４０からの光量指令信号を光量の増加を表す方向に補正するための補正信号を光量指令補正回路５０に出力する。したがって、この場合、光量指令補正回路５０は、コントローラ４０からの光量指令信号を光量の増加を表す方向に補正して光量制御回路１３に出力する。一方、前記反射光の受光量が所定の基準量よりも大きければ、コントローラ４０からの光量指令信号を光量の減少を表す方向に補正するための補正信号を光量指令補正回路５０に出力する。したがって、この場合には、光量指令補正回路５０は、コントローラ４０からの光量指令信号を光量の減少を表す方向に補正して光量制御回路１３に出力する。
【００２５】
このようなフィードバック制御により、光量制御回路１３は、フォトセンサ６１によって受光される反射光の受光量が所定の基準量になるように、レーザ光源１１から放射されるレーザ光の光量を補正制御する。なお、フォトセンサ６１によって受光されるラインセンサ３２からの反射光の受光量は、ラインセンサ３２によって受光される対象物ＯＢの表面からの反射光の受光量に対応しているので、前記フォトセンサ６１による受光量に応じた前記レーザ光の光量の補正は、ラインセンサ３２による受光量に応じた前記レーザ光の光量の補正と等価である。
【００２６】
その結果、対象物ＯＢの表面にて反射され、ラインセンサ３２にて受光される反射光の光量が常にほぼ一定の適正量に保たれる。しかも、フォトセンサ６１で検出される光は、ラインセンサ３２による反射光であって、ラインセンサ３２にて受光される反射光の光量が減少することもないので、レーザ光源１１によるレーザ光の放射量をそれほど大きくしなくても、ラインセンサ３２は充分な光量の反射光を受光する。したがって、レーザ光源１１として大出力のものを用いなくても、距離又は３次元形状の測定の精度が良好になる。
【００２７】
また、ラインセンサ３２からの反射光の光量はフォトセンサ６１により簡単かつ迅速に取り出すことが可能であるので、レーザ光源１１から対象物ＯＢに放射されるレーザ光の光量をリアルタイムで補正することもできる。また、フォトセンサ６１は、比較的小さくかつ安価であるので、本測定装置があまり大きくなることもなくかつ安価になる。
【００２８】
さらに、フォトセンサ６１すなわち光学センサ素子６１ｂは、ラインセンサ３２を構成する全ての受光素子からの反射光を受光できるように、同受光素子の配列方向に沿って長尺上に構成されている。したがって、ラインセンサ３２による反射光を良好に受光できて、レーザ光源１１によって放射されるレーザ光の光量の制御も高精度で行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光ビーム照射測定装置の全体概略図である。
【図２】図１の結像レンズ、ラインセンサ及びフォトセンサ部の拡大概略図である。
【図３】図１，２のフォトセンサの拡大平面図である。
【符号の説明】
１０…光ビーム放射器、１１…レーザ光源、１２…集光レンズ、１３…光量制御回路、２０…走査用光学系、３１…結像レンズ、３２…ラインセンサ（受光器）、３３…センサ信号取出し回路、４０…コントローラ、５０…光量指令補正回路、６１…フォトセンサ、６２…補正信号発生回路。

Claims (2)

1. 対象物に向けて光ビームを放射して同対象物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射器と、前記対象物の表面からの反射光を前記光ビーム放射器から前記対象物の表面の照射スポットまでの距離に応じた位置にて受光する受光器とを備え、前記受光器にて受光した反射光の位置に応じて前記光ビーム放射器から前記対象物の表面の照射スポットまでの距離又は前記対象物の表面の３次元形状を測定する光ビーム照射測定装置において、
   前記受光器の受光面から反射する反射光を受光して同受光した反射光の受光量を検出するフォトセンサと、
   前記フォトセンサによって検出された受光量に応じて前記光ビーム放射器から前記対象物に放射される光ビームの光量を補正する光量補正手段とを設けたことを特徴とする光ビーム照射測定装置。
2. 前記請求項１に記載した光ビーム照射測定装置において、前記受光器を複数の受光素子を一列に配列させたラインセンサにより構成し、かつ前記フォトセンサを前記ラインセンサを構成する複数の受光素子の配列方向に対応させて長尺状に形成したことを特徴とする光ビーム照射測定装置。

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