JP3967607B2 - 高さ測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高さ測定装置に関し、さらに詳しくはレーザ光などのスポット光を測定対象に照射し反射光をPSDなどの光位置検出手段で計測し、三角測量の原理により測定対象の高さを導出する高さ測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
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との、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、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。
【0003】
産業機器などによく使われている三角測量法による高さ測定装置の例を図11(a)に示す。
図11(a)において、光源101から出た光102は測定対象103上でスポット光Bを形成し、反射光104aは集光レンズ105で集光され光位置検出手段106、例えばPosition Sensitive Detector(以下、PSD素子と称す)上で像B’を結像する。一方、測定対象103が配置されている基板表面におけるスポット光はAとなり光位置検出手段106上の像はA’となる。この場合、スポット光Aとスポット光Bとの距離Hが基板表面上のある測定対象103の高さHとなり、また、三角測量の原理によれば高さHは光位置検出手段106上の像A’と像B’との距離hに比例する。
【0004】
ここで、光位置検出手段106がPSD素子の場合、入射光によりPSD素子から得られる2つの出力信号Ia、Ibと入射光の重心位置hとは以下の(式1)に示すとおりの関係を有するため、測定対象103の予め設定された基準面からの高さHは、このようにhを介して求めることができる。
h=Ia/(Ia+Ib) (式1)
また三角測量の原理に基づいて高さを計測する場合、図11(b)に示すようにスポット光の近傍に背高部品107があると測定できない死角領域が発生するため、集光レンズ105b及び光位置検出手段106bをさらに設け、複数の方向から測定対象を測定し、測定対象の凹凸による死角領域、即ち測定不能領域の低減を図ることもよくある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
こうしたPSD素子を用いて三角測量により測定対象の高さ測定を行う場合、何らかの理由で、スポット光の測定対象103上における反射によって直接的に得られる反射光以外の光(以下、迷光と称す)がPSD素子6に到達した場合、測定高さに誤差が生じる。
【0006】
図12(a)は、二重反射により測定高さに異常をもたらした例を示す。図において、図11と同一符号は同一または相当する部分を示している。スポット光の反射光は一般に全方向に進むため、測定対象の近傍に物体108がある場合、スポット光に対する反射率や物体108の位置や形状によっては、物体108の側面で反射した光がPSD素子106に迷光像C’として達することがある。そのとき図12(b)に示すようにPSD素子106上の光強度分布はスポット光Aの反射光による像A’と迷光像C’とが重なったものとなり、その結果PSD素子106への入射光の重心位置heは、像A’の重心位置htとは異なり、測定高さにht−heのような誤差が生じてしまう。
【0007】
以上は、迷光についてスポット光A近傍の物体による二重反射を例に述べたが、測定対象の凹凸の状態によっては三重反射などの多重反射や、透過物体による内部乱反射、あるいは外乱光によるものなど様々なものがある。
【0008】
こうした迷光による高さ測定誤差を回避するために、光位置検出手段106のPSD素子に変わるものとしてCCD素子やフォトダイオードアレイなどの入射光の強度分布も測定できる素子を用いて、入射光のピーク位置を求めるなどの処理を通して、光強度の低い迷光像C’の影響を除去する方法もある。ただし、この場合、素子の特性としてダイナミックレンジが小さい、かつ応答速度が遅いため、信号処理が複雑になり大規模な処理回路が必要になる、等の問題が生じ、その用途が限られてしまう。
【0009】
また、それ以外の方法として図11(b)でも述べたように、一つのスポット光Aを多方向から同時に計測して、迷光が入射して測定高さに誤差が含まれる方向の測定高さ結果を除いて、誤差を含まない方向の測定高さを採用する方法もある。この場合、複数方向から計測した複数の測定高さから異常な高さを除く方法として、複数の測定高さや測定輝度を比較・演算して誤差の無い高さを求める方法がある。しかし、測定対象の凹凸や表面反射状態が複雑になると、様々な迷光の発生要因があり全ての要因に対して有効な高さ選択方法を取るのが困難となり、特別な形状や反射率・透過率の分布をもつ等の特殊な条件を有する測定対象に関してはどうしても測定高さに異常が発生してしまうという問題があった。
【0010】
本発明は、上記の問題点に鑑みて創案されたもので、多重反射などによる迷光が混在した場合、迷光の影響を検知測定して、測定対象の測定高さの信頼性情報を提示し、更に測定高さの誤差を改善して測定の精度を向上することのできる高さ測定装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の高さ測定装置は、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、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集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換して出力する高さ情報変換手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数個の光強度検出手段と、前記複数の光強度検出手段の出力信号のバラツキに基づいて、前記高さ情報変換手段により変換された高さ情報の信頼性を示す情報を計算して出力する信頼性情報取得手段と、を備えたものである。
【0012】
また、本発明の請求項2に記載の高さ測定装置は、前記高さ測定装置において、前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の周囲に配置されているものである。
【0016】
また、本発明の請求項3に記載の高さ測定装置は、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、前記スポット光の測定対象からの反射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数の光強度検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号から、前記複数の光強度検出手段の出力信号から得られる、該光位置検出手段近傍での光強度分布に基づいて、該光位置検出手段に入射した迷光による信号成分を除去し、該迷光による信号成分を除去した前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段と、を備えたものである。
【0017】
また、本発明の請求項4に記載の高さ測定装置は、請求項3に記載の高さ測定装置において、前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の光位置検出方向に対して平行に並べて配置されているものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
以下に、本発明の請求項1及び請求項2に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態1として、図1、図2、図3を用いて説明する。
【0022】
図1は、本発明の実施の形態1による高さ測定装置の構成を示すブロック図であり、図において、1は測定用のレーザ光等のスポット状の光を測定対象に照射する光源、5は測定対象から反射光を集光する集光レンズ5、6は集光レンズ5により集光された光を受光して、受光位置に対応した電気信号、即ち測定対象の高さ情報に関する電気信号を出力する光位置検出手段であり、本実施の形態1においては特にPSD素子を用いている。9は光位置検出手段6の近傍に配置される、入射される光を検知し、その強度を測定する光強度検出手段であり、測定対象から直接的に得られる反射光以外の光を検知するために配置されている。15は光位置検出手段6の出力信号を測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段、16は光位置検出手段6、光強度検出手段9の出力信号を用いて、高さ情報変換手段15により得られた高さ情報の信頼性を示す情報である信頼性情報を求め、これを出力する信頼性情報取得手段である。
【0023】
図2(a)は本実施の形態1による高さ測定装置の高さ測定の動作を説明するための断面図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当する部分を示しており、光源1は測定用の入射光2を測定対象3に照射する。この入射光2が測定対象3に到達し、その上でスポット光Aが形成される。4はスポットAからの反射光、5は反射光4を集光するレンズ(集光手段)、6は測定対象の高さに関する電気信号を出力する光位置検出手段、9は物体8により反射される迷光を検知測定する光強度検出手段である。A’はスポット光Aが光位置検出手段6において結像した像、C’は迷光が光位置検出手段6において結像した像である。また、Ia、Ibは光位置検出手段6の出力信号、Ieは光強度検出手段9の出力信号である。
【0024】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態1による高さ測定装置の動作について、図2、図3を参照しながら説明する。
図2(a)に示すように、光源1から出た光2は測定対象3上でスポット光Aを形成し、スポットAからの反射光4は集光レンズ5により集光され、光位置検出手段6上で像A’として結像する。三角測量の原理によりこの像A’の入射光の光位置検出手段6上での重心位置はスポット光Aにおける測定対象3の高さHを表している。
【0025】
ここで、スポット光Aの近傍に物体8があり、ある条件下でスポット光Aでの反射光が物体8の側面で再度反射して、集光レンズ5を経由して光位置検出手段6とその近傍に配置している光強度検出手段9に入射して像C’とする。
【0026】
この時、像A’ の入射光と像C’の入射光とは同時に光位置検出手段6に入射し、光位置検出手段にて複合される。光位置検出手段6がPSD素子の場合、PSD素子6からは、図2(b)に示すように、複合された入射光の重心位置及び光量に応じた2つの信号Ia、Ibが出力される。また、光強度検出手段9からは迷光量に応じた信号Ieが出力される。
【0027】
図2(c)に示すように、高さ情報変換手段はPSD素子6の2つの出力信号Ia、IbからPSD素子6への入射光の重心位置hを求める。PSD素子6への入射光がスポット光Aの反射像A’のみの場合は、この重心位置hがスポット光Aにおける測定対象3の高さHを表している。
【0028】
しかし、像C’のようなノイズになる迷光がPSD素子6に入射した場合、重心位置hは高さHと等しくなくなる。PSD素子6の近傍に配置した光強度検出手段9の出力Ieのレベルが大きい場合は迷光がPSD素子6にも入射している可能性が高くなり、PSD素子6の2つの信号Ia、Ibから求まる重心位置hとスポット光Aでの測定対象3の高さHとの間の差異も大きくなる可能性が高くなる。
【0029】
これに対し、本実施の形態1に係る高さ測定装置によれば、図2(c)に示すように、信頼性情報取得手段16はPSD素子6の出力IaとIbおよび光強度検出手段9の出力Ieを用い、測定高さの信頼性情報Eを求めて、この信頼性情報Eに基づいて高さ情報変換手段15から得られる高さ情報が信頼性の高いものであるか否かを判定することができ、精度の低い測定データの使用を未然に防ぐことができる。
【0030】
具体的な高さ信頼性情報Eの求め方としては、光強度検出手段9が1個の場合、例えば以下の(式2)で示すように単純に光強度検出手段9の出力Ieと、PSD素子6の出力の和B(B=Ia+Ib、入射光量を示す)との比などが考えられる。
E=Ie/(Ia+Ib) (式2)
これは、Ia+Ibが像A’の光強度つまり信号強度を示していると考え、ノイズ強度Ieを信号強度Bで正規化し、像A’の強度に依存しないようにしたことでより汎用性のある高さ信頼性情報を得ることができる。この場合のEが大きいと測定高さhの信頼性が低く、Eが小さいと測定高さhの信頼性が高いことになる。
【0031】
ここで、変形例として、光位置検出手段6の周囲に複数の光強度検出手段を配置した場合について説明する。
【0032】
図3(a)は、光位置検出手段6の周囲に4個の光強度検出手段9a、9b、9c、9dを配置した場合の光学的な構成を示す断面図である。Iea、Ieb、Iec、Iedはそれぞれ4個光強度検出手段9a、9b、9c、9dの出力である。
【0033】
迷光による像C’が広く広がって光位置検出手段6と4個の光強度検出手段9a、9b、9c、9d全体に入射している場合は、図2の説明で述べたように、4個の光強度検出手段9a、9b、9c、9dの出力合計値Iea+Ieb+Iec+Iedで測定高さhの信頼性情報Eとすることができるが、図3(b)に示すように迷光像C’が小さく局所的な場合は、一部の光強度検出手段のみ、図の例では光強度検出手段9aのみに入射することになる。この場合は光強度検出手段9aの出力Ieaのレベルが大きく、ほかの光強度検出手段9b、9c、9dのそれぞれの出力Ieb、Iec、Iedが小さいため、4個の光強度検出手段9a、9b、9c、9dの出力のばらつきは迷光像C’の有無を示すことになる。
【0034】
つまり、高さ信頼性情報Eの求め方としては、光位置検出手段6の近傍に配置した複数の光強度検出手段9の出力Ieのバラツキを示す値、例えば最大値と最小値との差や標準偏差等を用いることが考えられる。これにより、局所的な迷光像C’が入射した場合でも、測定高さhの信頼性情報は依然として求められ、その効果を発揮することができる。さらに像A’の強度、つまり信号強度を示す光位置検出手段6の出力、即ち光位置検出手段6がPSD素子の場合はIa+Ib、とIeのバラツキとの比をとることにより、像A’の強度に依存しないより汎用性のある高さ信頼性情報を得ることができる。
【0035】
このように、本実施の形態1による高さ測定装置では、光位置検出手段の近傍に一個もしくは複数個の光強度検出手段と、前記光強度検出手段の出力を用いて測定高さ情報の信頼性情報を求める信頼性情報取得手段とを備えたので、一個の光強度検出手段の出力、または複数個の光強度検出手段の出力の合計値もしくはバラツキを、さらに前記3指標のそれぞれと光位置検出手段の信号強度との比を測定高さの信頼性情報として用いることができ、対象物の高さ計測において迷光の入射による影響を検出し、計測された対象物の高さデータの信頼性を評価して信頼性の低い高さ測定データの使用を未然に防ぐことができる。
【0036】
なお、本実施の形態1では、光位置検出手段6についてはPSD素子を例として説明してきたが、CCD素子やフォトダイオードアレイなどに置き換えても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【0037】
(実施の形態2)
次に、本発明の請求項6及び請求項9及び請求項10に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態2として、図4、図5、図6を用いて説明する。
図4は、本実施の形態2による高さ測定装置の構成を示すブロック図であり、図において図1と同一符号は同一または相当する部分を示している。なお、本実施の形態2の構成は、信頼性情報取得手段を設けないようにするとともに、光強度検出手段9の出力を高さ情報変換手段17にも入力するようにし、高さ情報変換手段17において、光位置検出手段6の出力信号を、光強度検出手段の出力を用いて高さ情報に変換するようにした点においてのみ、前述した実施の形態1の構成と異なるものであり、同一または相当する部分についてのここでの説明を省略する。
【0038】
図5(a)は本実施の形態2による高さ測定装置の高さ測定の動作を説明するための断面図であり、複数の光強度検出手段9を光位置検出手段6の光位置検出が行われる方向(以下、光位置検出方向と称す)上の光位置検出手段6の両側に配置している例を示している。図において、9aと9bは光位置検出手段6の近傍の、測定高さ検出方向の両側に配置されている光強度検出手段である。その他の構成は、前述した実施の形態1において図2(a)に示した構成と同様である。
【0039】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態2による高さ測定装置の動作について、図5、図6を参照しながら説明する。
図5(a)に示すように、物体8による照射光2の二重反射光は大きく広がり、光位置検出手段であるPSD素子6と、その近傍にある2つの光強度検出手段9a及び9bの全体に像C’として入射している。このときのPSD素子6と2つの光強度検出手段9a及び9bの上における、スポット光Aによる像A’と迷光による像C’との位置関係を図5(b)に示す。図5(c)には各検出手段の信号出力を示したものである。
【0040】
このとき、PSD素子6の出力Ia、Ibは、像A’と像C’とが複合した入射光の重心位置と光強度とにより定まる値となる。また光強度検出手段9aの出力Ieaは迷光像C’の光強度検出手段9aへの入射光量に対応する出力、同じく光強度検出手段9bの出力Iebは迷光像C’の光強度検出手段9bへの入射光量に対応する出力となる。ここで、迷光像C’の強度分布が3つの検出手段において直線に近いものとすると、PSD素子6中における像C’の光強度分布は台形形状となり、光強度検出手段9aの出力Ieaと光強度検出手段9bの出力IebとPSD素子6のサイズLとから、この迷光像強度分布の台形形状の各辺の長さを求めることができる。ここで、迷光像C’によるPSD素子6の出力分(Iao、Iboとする)は和(=Iao+Ibo)が台形光強度分布の面積、比(=Iao/(Iao+Ibo))が台形強度分布の重心位置となるから、Iao及びIboはIeaとIebとLから計算により求めることができる。つまり、PSD素子6の出力IaとIbから、Iea及びIebに基づいて求まる迷光像C’による成分(Iao、Ibo)を除去した、像A’による成分(Iat、Ibtとする)を用いることにより、高さ情報変換手段17において測定高さhを精度良く求めることができる。
以上の関係を数式で述べると以下の(式3)のとおりとなる。
【数1】
係数Caa、Cab、Cba、CbbはPSD素子6のサイズLと光強度検出手段9a及び9bのサイズLa及びLbから求まる。すなわち、像A’の信号成分Iat、Ibtは、PSD素子6の出力Ia、Ibと光強度検出手段9a、9bの出力Iea、Iebの1次結合として求めることができる。こうした関係はPSD素子6や光強度検出手段9a、9bの面積が異なっても成り立つ。
【0041】
ここで本実施の形態2に係る高さ測定装置の変形例として、光位置検出手段6の光位置検出方向とは異なる側に配置、即ち複数の光強度検出手段を光位置検出手段6の光位置検出方向に平行に並べて配置した場合について説明する。
図6(a)において、PSD素子6の光位置検出方向ではない側に5個の光強度検出手段9a〜9eをPSD素子6の光位置検出方向に並べている。迷光による像C’がPSD素子6と5個の光強度検出手段9a〜9eの全体に入射し、なお像C’の光強度分布がPSD素子6の光位置検出方向の直角方向に変化が少ないとき、図6(b)に示すように5個の光強度検出手段9a〜9eのそれぞれの出力Iea〜Ieeから、PSD素子6中の像C’の強度分布の近似を求めることができる。すなわち、PSD素子6の出力IaとIbから、Iea〜Ieeに基づいて求まる迷光像C’による成分Iao、Iboを除去した像A’による成分Iat、Ibtを用いることにより、高さ情報変換手段17において測定高さhを精度良く求めることができる。
【0042】
以上の関係を数式で述べると以下の(式4)のとおりとなる。
【数2】
ここで係数Caa〜Cae、Cba〜CbeはPSD素子6のサイズと光強度検出手段9a〜9eのそれぞれのサイズから求まる。つまり、PSD素子6の出力において像A’の信号成分Iat、Ibtは、PSD素子6の出力Ia、Ibと光強度検出手段9a〜9eの出力Iea〜Ieeの1次結合として求めることができる。
【0043】
なお、以上の図6においては光強度検出手段9の数を5個として述べたが、1個以上のその他の任意の個数としても同様な効果が得られる。また、光強度検出手段9の個数が多いほどIao、Iboを求める精度が良くなり、測定高さの精度を向上することができる。
また、上記説明ではPSD素子6の片側にのみ光強度検出手段9を配置したが、両側に配置しても同様の効果がある。
【0044】
このように、本実施の形態2では複数の光強度検出手段を光位置検出手段6の近傍に配置し、光強度検出手段の出力から光位置検出手段6における迷光像の強度分布を推定して、光位置検出手段6の出力を補正することにより、光位置検出手段における対象物の反射光が形成する像に対応する出力を求めて、精度のよい対象物の測定高さに変換することができる。
【0045】
(実施の形態3)
次に、本発明の請求項7、請求項8に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態3として、図7、図8を用いて説明する。
図7は、本実施の形態3による高さ測定装置の構成を示すブロック図であり、図において図1と同一符号は同一または相当する部分を示している。なお、本実施の形態3の構成は、光強度検出手段9の出力を高さ情報変換手段18にも入力するようにし、この高さ情報変換手段18により光位置検出手段6の出力を光強度検出手段9の出力を用いて高さ情報に変換するようにした点においてのみ、前述した実施の形態1の構成と異なるものであり、同一または相当する部分についてのここでの説明を省略する。
【0046】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態3による高さ測定装置の動作について、図8を参照しながら説明する。
図8(a)は本実施の形態3による高さ測定装置の光位置検出手段及び光強度検出手段における受光像の位置関係の一例を示した図である。
図8(a)において、6は光位置検出手段であるPSD素子、9a、9b、9cは光強度検出手段である。像A’は、照射光の対象物体において形成したスポット光Aからの反射光による像、像C’は迷光による像である。Ia、Ibは光位置検出手段6の出力信号で、Iea、Ieb及びIecはそれぞれ光強度検出手段9a、9b、9cの出力信号である。
【0047】
図8(a)に示すように、PSD素子6の周囲に3個の光強度検出手段9a、9b、9cが配置されており、そこにスポット光Aの像A’はPSD素子6上にあり、迷光による像C’はPSD素子6と光強度検出手段9b、9cに入射している。この場合、図8(b)に示すように迷光像C’の分布がPSD素子6の光位置検出方向に直線状分布であっても、光強度検出手段9aに像C’は入射していないので、2個の迷光強度検出手段出力IebとIecにより、PSD素子6の出力信号Ia、Ibから迷光像C’成分を除いたIat、Ibtを求めることはできない。
【0048】
そこで、図8(c)に示すように、PSD素子6の2つの出力Ia、Ibと3つの光強度検出手段9a、9b、9cの出力Iea、Ieb、Iecとをそれぞれ2つのグループに出力し、1つのグループでは高さ情報変換手段18を介して測定高さhを演算し、もう1つのグループでは信頼性情報取得手段16を介して高さ信頼性情報Eの演算を行う。
【0049】
こうすることにより、光強度検出手段9により検出された迷光像C’が測定高さhの精度向上に寄与できないような光強度分布の場合でも、高さ信頼性情報Eを提供することにより信頼性の低い測定高さデータの使用を未然に防ぐことができる。
【0050】
逆に、図8(a)に示した3つの光強度検出手段9a、9b、9cの出力Iea、Ieb、Iecのバラツキを示す値、例えば最大値と最小値との差が大きい場合、迷光像C’の分布が偏って分布していると推測することができ、その場合の高さ補正演算をしていても測定高さhの信頼性が低いことになるのが分かる。
【0051】
もちろん、図8(a)に示した3つの光強度検出手段9a、9b、9cの出力Iea、Ieb、Iecのバラツキが小さい場合、迷光像C’が3つの光強度検出手段9a、9b、9cの全般にわたって入射していることが分かり、3つの出力Iea、Ieb、Iecを高さ情報変換手段に入力させることにより、高さ演算補正をして、精度の高い高さ測定データhを得ることができる。
【0052】
このように、本実施の形態3では、光位置検出手段6の周囲に設けられている光強度検出手段9a、9b、9cの出力を高さ情報変換手段18、信頼性情報取得手段16に入力させるようにしたので、光強度検出手段9a、9b、9cの出力のばらつきが小さいときは、高さ補正計算を通じて精度の良い高さ測定データを得ることができる。また、光強度検出手段9a、9b、9cの出力のばらつきが大きいときは、信頼性情報を求めて信頼性の低い測定データの使用を未然に防ぐことができる。
【0053】
(実施の形態4)
次に、本発明の請求項3乃至請求項5に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態4として、図9及び図10を用いて説明する。
図9は、本実施の形態4に係る高さ測定装置の構成を説明するためのブロック図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当する部分を示しており、5aと5bは測定対象からの反射光を互いに異なる方向において集光する集光レンズ、6a、6bは集光レンズ5a,5bによりそれぞれ集光された光を受光して、受光位置に対応した電気信号、即ち測定対象の高さ情報に関する電気信号を出力する光位置検出手段であり、本実施の形態4においては特にPSD素子を用いている。19a,19bは光位置検出手段6a,6bのそれぞれの近傍に配置された、入射される光を検知し、その強度を測定する光強度検出手段であり、測定対象から直接的に得られる反射光以外の光を検知するために配置されている。15a,15bは光位置検出手段6a,6bの出力信号を測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段、16a,16bは光位置検出手段6a,6b、光強度検出手段19a,19bの出力信号を用いて、高さ情報変換手段15a,15bにより個別に得られた高さ情報の信頼性を示す情報である信頼性情報を個別に求め、これを出力する信頼性情報取得手段である。また、20は信頼性情報を用いて各高さ情報変換手段の出力に基づいて測定対象の高さを決定する高さ情報決定手段である。
【0054】
図10(a)は、本実施の形態4に係る高さ測定装置の動作を説明するための図であり、図において、図2及び図9と同一符号は同一または相当する部分を示しており、4aと4bはスポットAから互いに異なる方向である光位置検出手段6a、6bの方向へと進む反射光、像Aa’及び像Ab’のそれぞれは集光されたスポット光Aの反射光が光位置検出手段6a、6bにおいて形成される像、像C’はスポット光Aの物体8における反射光が光位置検出手段6aにおいて形成される像である。
【0055】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態4による高さ測定装置の動作について、図10を参照しながら説明する。
光源1より照射光2を測定対象物体3に照射し、物体3においてスポット光Aが形成されると同時に、スポット光Aが物体3より反射される。その反射光のうち、2方向の反射光4aと4bがそれぞれ2つの集光レンズ5aと5bを経由して2つの光位置検出手段6aと6b上で、像Aa’と像Ab’として集光される。
【0056】
高さ情報変換手段15aにおいて光位置検出手段6aの出力信号から像Aa’の重心位置haが求まり、また高さ情報変換手段15bにおいて光位置検出手段6bの出力信号から像Ab’の重心位置hbが求まり、これに基づいて三角測量の原理から、スポット光Aにおける測定対象3の高さの2つの測定値が求まることになる。
【0057】
スポット光Aの反射光のみが2つの光位置検出手段6aと6bに到達した場合は、2つの測定高さhaとhbはともに測定対象3のスポット光Aにおける高さを表しており、この2つの測定高さhaとhbとを使用し、これらを補正して新たな測定高さhを求めると、測定誤差は非常に小さなものとなる。例えば、この測定高さhの補正する方法としては平均値(ha+hb)/2を取る方法がある。
【0058】
しかし、これまでも説明してきたように、スポット光Aの反射光の一部が近傍の物体8の側面で二重反射し、集光レンズ5aを経由して光位置検出手段6aに入射して像C’となった場合は、2つの測定高さhaとhbのうち、hbは正しいがhaは正しくなくなる。この場合では測定高さとして、hbをのみ出力すれば誤差は依然として小さなものとなるが、通常2つの測定高さhaとhbのうちどちらが正しいかを判断することは困難である。
【0059】
そこで、光位置検出手段6aと6bの近傍に光強度検出手段9aと9bを配置して、二重反射などによる迷光像C’が入射しているかどうかについて、光強度検出手段9aと9bの出力信号から、信頼性情報取得手段16a,16bにより測定高さha及びhbのそれぞれについての信頼性情報Ea、Ebを求めて調べる。haとhb、EaとEbについては前述した各実施の形態でも述べたようにそれぞれ求めることとする。
【0060】
そして、高さ情報決定手段20においては、図10(b)に示すように、2つの測定高さhaとhbから補正により新たな1つの測定高さhを求める際に、まず、ステップS1としてそれぞれの信頼性情報EaとEbとの両者が信頼性が高いことを示すものであるか否かを判定し、2つとも信頼性が高いことを示す場合には測定高さhaとhbとの両方を使用して測定高さhを求める。両方の信頼性が高くない場合には、ステップS2、及びステップS3において、信頼性情報Ea及びEbのいずれか一方が、信頼性が高いことを示しているか否か判定し、一方のみが信頼性が高いことを示している場合には、信頼性の高さを示している信頼性情報に対応した測定高さを採用する。そして、信頼性情報Ea、Ebの両者が信頼性が低いことを示す場合には、測定不能とする。
【0061】
なお、2つの測定高さhaとhbとから測定高さhの演算方法として、例えば上述した平均値(ha+hb)/2を求める方法や、各光位置検出手段6a,6bの光強度出力を使用して加重平均を求める方法などがある。
【0062】
このように、本実施の形態4では、2つの光位置検出手段6a,6bを設け、さらにそれぞれの光位置検出手段6a,6bの近傍に光強度検出手段19a,19bを設けて、最後に高さ情報決定手段により測定対象の高さを決定するようにしたので、それぞれの光位置検出手段19a,19bにより導出された測定対象の高さ情報から信頼性の低い高さ測定データを除き、信頼性の高い測定データのみを使って、対象物の測定高さを決定することができ、測定対象3の形状や反射率・透過率の分布等の光学的な条件の影響を受けない、精度の良い高さ測定を実現することができる。
【0063】
なお、本実施の形態4では、測定する方向は例として2方向で述べたが、本発明においては、さらに集光レンズ、光位置検出手段、光強度検出手段、高さ情報変換手段、及び信頼性情報取得手段を備えた構成を異なる方向の反射光を受光できるように一以上追加して設けるようにし、より多くの方向から反射光を同時測定できるようにしてもよく、このような場合においても、上記実施の形態4と同様の効果を奏する。
【0064】
また、本実施の形態4では、各光位置検出手段の近傍に一個の光強度検出手段を設けたのを例として説明したが、複数個の光強度検出手段にしても同様な効果を得られることができる。
また、本実施の形態4では、高さ情報の変換において光位置検出手段の出力のみを用いて行う例を説明したが、光強度検出手段の出力のバラツキが小さいとき、光強度検出手段の出力をも高さ情報変換手段に入力させて、高さ情報を求めることにしてもよい。この場合、一層精度の高い高さ情報を得られる効果がある。
【0065】
さらに、前述したいずれの実施の形態においても、迷光像C’の原因として、スポット光A近傍の物体8における二重反射を例としてあげたが、複数の物体間の3回以上の多重反射や、物体内部への透過による内部反射、また外部の光源による入射などの様々な迷光に対しても、本発明により同様の効果がある。
【0066】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高さ測定装置によれば、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、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集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換して出力する高さ情報変換手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数個の光強度検出手段と、前記複数の光強度検出手段の出力信号のバラツキに基づいて、前記高さ情報変換手段により変換された高さ情報の信頼性を示す情報を計算して出力する信頼性情報取得手段と、を備えようにしたので、二重反射や外乱光などによる迷光が光位置検出手段とその近傍に分布をもって入射した場合、複数の光強度検出手段の間での測定高さ出力のバラツキが大きくなり、それをもって信頼性情報を計算し、光位置検出手段の測定高さ出力に誤差が含まれていることを信頼性情報で示し、精度の低い測定高さデータの使用を未然に防ぐことができるという効果がある。
【0067】
また、本発明の高さ測定装置によれば、前記高さ測定装置において、前記光強度検出手段を前記光位置検出手段の光位置検出方向の両側に配置するようにしたので、二重反射や外乱光などによる迷光が光位置検出手段とその近傍に分布をもって入射した場合は、このような迷光の発生を上記複数の光強度検出手段からの光検出出力のバラツキによって検知して、迷光により精度の低下した測定高さデータの使用を未然に防ぐことができるという効果がある。
【0071】
また、本発明の高さ測定装置によれば、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、前記スポット光の測定対象からの反射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数の光強度検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号から、前記複数の光強度検出手段の出力信号から得られる、該光位置検出手段近傍での光強度分布に基づいて、該光位置検出手段に入射した迷光による信号成分を除去し、該迷光による信号成分を除去した前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段とを備えるようにしたので、複数の光強度検出手段の出力から光位置検出手段に入射している迷光による誤差量を求めて、光位置検出手段の出力に対して誤差量をキャンセルすることにより迷光の影響を低減した高精度な測定高さを実現することができるという効果がある。
【0072】
また、本発明の高さ測定装置によれば、前記高さ測定装置において、前記光強度検出手段を前記光位置検出手段の光位置検出方向に対して平行に並べて配置するようにしたので、光位置検出手段の光位置検出方向の迷光分布は直線分布となっていないときでも、光位置検出しない方向の迷光分布が同じである場合、複数の光強度検出手段の出力から光位置検出手段に入射している迷光による誤差量を高精度に求めて、光位置検出手段の出力に対して誤差量をキャンセルすることにより迷光の影響を排除した高精度な測定高さを得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図2】(a)は本実施の形態1による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、(b)は光強度分布および各検出手段の出力信号の説明図、(c)は各検出手段の出力信号の関係を示す図である。
【図3】(a)は本実施の形態1による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、(b)は光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態2による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図5】(a)は本実施の形態2による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、(b)は光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図、(c)は各検出手段の出力信号の関係を示す図である。
【図6】(a)は本実施の形態2による高さ測定装置の光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図、(b)は光強度分布と光強度検出手段の出力信号を説明する図である。
【図7】本発明の実施の形態3による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図8】(a)は本実施の形態3による高さ測定装置の光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図、(b)は光強度分布と各検出手段の出力信号を説明する図、(c)は各検出手段の出力信号の関係を示す図である。
【図9】本発明の実施の形態4による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図10】(a)は本実施の形態4による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、(b)は出力信号の流れと測定高さの出力の関係を示す図である。
【図11】従来の高さ測定装置を説明する図であり、(a)は三角測量による高さ計測原理を示す光学的断面図、(b)は死角の発生と2方向受光を示す光学的な断面図である。
【図12】迷光による計測高さの誤差発生を説明する図であり、(a)は二重反射による計測高さ誤差を光学的な断面図、(b)は迷光の影響を受けたときの光位置検出手段上の光強度分布例を示す図である。
【符号の説明】
1 光源
2 照射光
3 測定対象
4、4a、4b 反射光
5、5a、5b 集光レンズ
6、6a、6b、 光位置検出手段
7 障害物
8 二重反射を生じるスポット光A近傍の物体
9、9a、9b、9c、9d、9e、19a、19b 光強度検出手段
15、17、18、15a、15b 高さ情報変換手段
16、16a、16b 信頼性情報取得手段
20 高さ情報決定手段
A、B 照射光が測定対象を照射しているスポット光
A’、Aa’、Ab’、B’ スポット光Aによる光位置検出手段上の像
C’ 二重反射などの迷光による光位置検出手段上や光強度検出手段上の像
H 測定対象3の高さ
h 光位置検出手段が出力する測定した高さ
Ia、Ib 光位置検出手段の出力信号
Ie、Iea、Ieb、Iec、Ied、Iee 光強度検出手段の出力信号
E 高さ信頼性情報
L、La、Lb 光位置検出手段や光強度検出手段のサイズ
Claims (4)
- スポット光を測定対象に照射する照射手段と、
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集光手段と、
前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、
前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換して出力する高さ情報変換手段と、
前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数個の光強度検出手段と、
前記複数の光強度検出手段の出力信号のバラツキに基づいて、前記高さ情報変換手段により変換された高さ情報の信頼性を示す情報を計算して出力する信頼性情報取得手段と、
を備えたことを特徴とする高さ測定装置。 - 請求項1に記載の高さ測定装置において、
前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の周囲に配置されていることを特徴とする高さ測定装置。 - スポット光を測定対象に照射する照射手段と、
前記スポット光の測定対象からの反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、
前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数の光強度検出手段と、
前記光位置検出手段の出力信号から、前記複数の光強度検出手段の出力信号から得られる、該光位置検出手段近傍での光強度分布に基づいて、該光位置検出手段に入射した迷光による信号成分を除去し、該迷光による信号成分を除去した前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段と、
を備えたことを特徴とする高さ測定装置。 - 請求項3に記載の高さ測定装置において、
前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の光位置検出方向に対して平行に並べて配置されていることを特徴とする高さ測定装置。
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