JPH01105105A - Shape measuring instrument - Google Patents
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔概 要〕
三次元の形状計測装置に係り、特に金属等からなる光沢
性の強い物体表面の傾きを光学的に非接触で計測する形
状計測装置に関し、
より簡便な構成で、物体面の傾きのより高速な計測が可
能な形状計測装置を提供することを目的とし、
物体をスポット照明する照明手段と、該スポット照明光
に基づく物体からの反射光を結像させるスクリーンと、
該スクリーン上の結像点の位置を計測する撮像手段と、
該位置計測データから物体面の１頃きを求める演算手段
とを具えて構成される。[Detailed Description of the Invention] [Summary] This invention relates to a three-dimensional shape measuring device, particularly a shape measuring device that optically and non-contact measures the inclination of the surface of a highly glossy object made of metal or the like. The purpose of the present invention is to provide a shape measuring device that can measure the inclination of an object surface at a higher speed, and includes an illumination means for spot illuminating an object, and an image of reflected light from the object based on the spot illumination light. screen and
an imaging means for measuring the position of the imaging point on the screen;
It is configured to include calculation means for determining the first rotation of the object surface from the position measurement data.
本発明は三次元の形状計測装置に係り、特に金属等から
なる光沢性の強い物体表面の傾きを光学的に非接触で計
測する形状計測装置に関するものである。The present invention relates to a three-dimensional shape measuring device, and more particularly to a shape measuring device that optically and non-contact measures the inclination of the surface of a highly glossy object made of metal or the like.
物体表面の形状特にその傾きを計測することは、例えば
各種の機械的加工を施した場合に、その加工表面の形状
が予定されたものとなっているか否かを確認する場合等
において必要となるものである。Measuring the shape of an object's surface, especially its inclination, is necessary, for example, when performing various types of mechanical processing to confirm whether the processed surface has the expected shape. It is something.
このような物体の形状計測に当っては、簡単な構成で非
接触でかつ高速に計測し得るものであることが要望され
る。When measuring the shape of such an object, it is desired that the measurement be performed in a simple, non-contact manner and at high speed.
物体の傾きや姿勢を非接触で測定する方法は、従来から
多く提案されている０例えば電気学会論文１９８６年４
月、６ｌ−Ｃ２Ｆ三次元姿勢計測による実装部品検査技
術」においては、レーザスリットビームを用いた光切断
法による、物体表面の傾き計測方法が述べられている。Many methods have been proposed for non-contact measurement of the inclination and posture of objects.
6l-C2F Mounted Component Inspection Technology Using Three-Dimensional Attitude Measurement'' describes a method for measuring the inclination of an object surface using a light cutting method using a laser slit beam.
また、電気学会論文１９８４年１１月、５９−Ｃ３３ｒ
回転照明法を用いた三次元物体の形状針側」においては
、照明装置を回転させて物体表面の輝度の変化から、物
体面の傾きを求める方法が記載されている。さらに、電
子情報通信学会、パターン認識・理解技術研究報告、
ＰＲ０８６−１２９、ｒ距離画像の入力と処理」におい
ては、これまでに発表された多くの方式の要約がなされ
ている。Also, IEEJ paper November 1984, 59-C33r
``Shape of a Three-Dimensional Object Using Rotational Illumination Method Needle Side'' describes a method of determining the inclination of the object surface from changes in the brightness of the object surface by rotating the illumination device. Furthermore, the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Pattern Recognition and Understanding Technology Research Report,
PR086-129, ``Ristance Image Input and Processing'' provides a summary of many previously published methods.
このように物体面の傾きを計測する形状計測装置として
は、従来多くの方式が提案されているが、いずれも装置
構成が複雑であるとともに、測定の手順も煩雑であって
計測に多くの時間を必要とし、計測結果の実時間の出力
は困難であるものが多かった。Many methods have been proposed for shape measuring devices that measure the inclination of an object surface in this way, but all of them have complex device configurations and complicated measurement procedures, requiring a lot of time for measurement. In many cases, it was difficult to output measurement results in real time.
本発明はこのような従来技術の問題点を解決しようとす
るものであって、従来の各方式と比較してより簡便な構
成で、物体面の傾きのより高速な計測が可能な形状計測
装置を提供することを目的としている。The present invention aims to solve the problems of the prior art, and provides a shape measuring device that has a simpler configuration and can measure the inclination of an object surface at higher speed than the conventional methods. is intended to provide.
第１図は本発明の原理的構成を示したものであって、照
明手段１．スクリーン２．撮像手段３゜演算手段４を具
えて構成されている。FIG. 1 shows the basic configuration of the present invention, in which illumination means 1. Screen 2. It is configured to include an imaging means 3 and a calculation means 4.
照明手段１は、被計測物体の表面をスポット照明するも
のである。The illumination means 1 is for spot illuminating the surface of the object to be measured.
スクリーン２は、照明手段１のスポット照明光に基づく
物体表面からの反射光を結像させるものである。The screen 2 forms an image of reflected light from the object surface based on the spot illumination light of the illumination means 1.
撮像手段３は、物体からの反射光に基づいて生じるスク
リーン２上の結像点の位置を計測するものである。The imaging means 3 measures the position of an imaging point on the screen 2 based on reflected light from an object.
演算手段４は、撮像手段３において得られた位置針側デ
ータから演算を行って物体面の傾きを求めるものである
。The calculating means 4 calculates the inclination of the object plane by calculating from the position needle side data obtained by the imaging means 3.
第２図は本発明の詳細な説明する図である０図示されな
いレーザからの平行ビーム光は、集光レンズ１１を経て
収束されミラー１２を経て反射して、計測対象物体１３
に対して垂直に照射される。物体１３の上部にはスクリ
ーン１４を設ける。スクリーン１４は白紙やすりガラス
等の光を散乱するとともに透過する材料からなる板状の
ものを用いる。従ってレーザスポットビームに基づく物
体１３表面からの反射光のスペックルパターンがスクリ
ーン１４の面に投影される。この場合における投影位置
は、物体１３表面の傾きに依存して変化する。FIG. 2 is a diagram illustrating the present invention in detail.0 Parallel beam light from a laser (not shown) is converged through a condenser lens 11, reflected through a mirror 12, and is reflected on an object to be measured 13.
is irradiated perpendicular to A screen 14 is provided above the object 13. The screen 14 is a plate-like material made of a material that scatters and transmits light, such as white paper or frosted glass. Therefore, a speckle pattern of reflected light from the surface of the object 13 based on the laser spot beam is projected onto the surface of the screen 14. The projection position in this case changes depending on the inclination of the surface of the object 13.
スクリーン１４の上方にレンズ１５を設け、スクリーン
１４上の像を２次元ＰＳＤセンサ（光位置検出素子＞
１６によって撮像する。２次元ＰＳＤセンサ１６は、受
光点のＸＹアドレスをアナログ信号として出力するもの
であって、光点が複数の場合やある広がりを有する場合
には、その平均位置を出力する。A lens 15 is provided above the screen 14, and the image on the screen 14 is detected by a two-dimensional PSD sensor (optical position detection element).
16. The two-dimensional PSD sensor 16 outputs the XY address of the light-receiving point as an analog signal, and when there are a plurality of light points or a certain spread, it outputs their average position.
このようにしてＰＳＤセンサ１６から得られた位置信号
から、物体面の傾き角を求めることができる。From the position signal obtained from the PSD sensor 16 in this manner, the tilt angle of the object surface can be determined.
第３図は傾き角の計算方法を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a method of calculating the tilt angle.
第３図においては、簡単のため１次元方向の傾きを求め
る場合を説明しているが、実際にはこれを２次元に拡張
して面の傾きを求める。In FIG. 3, for simplicity, a case is explained in which the inclination in a one-dimensional direction is determined, but in reality, this is extended to two-dimensional direction to determine the inclination of a surface.
第３図において計測面の傾きをθとすると、垂直に照射
されたビームの反射光は、図示のように垂直面から２０
の傾きを有している。いま物体の高さはスクリーン面の
高さより充分小さいとする。In Figure 3, if the inclination of the measurement surface is θ, the reflected light of the vertically irradiated beam will be 20 degrees from the vertical plane as shown in the figure.
It has a slope of Assume that the height of the object is sufficiently smaller than the height of the screen surface.
物体からスクリーンまでの距離をｌとすると、スクリー
ン面上の光点の位置χは次式によって求められる。When the distance from the object to the screen is l, the position χ of the light spot on the screen surface is determined by the following equation.
χ＝ （ｌ ｔａｎ ２θ
・（１）スクリーン上の結像点の位置はＰＳ
Ｄカメラによって求められるので、これから物体面の傾
きθを計算することができる。χ= (l tan 2θ
・(1) The position of the imaging point on the screen is PS
Since it is determined by the D camera, the inclination θ of the object plane can be calculated from this.
本発明における計測対象物体は、その表面が金属等の光
沢性の良いものであることが必要である。The object to be measured in the present invention needs to have a shiny surface such as metal.
この場合はその表面において、照射光によって強い反射
光が生じるので、これをスクリーンに投影することによ
って結像位置から傾きの計測を行うことができる。実際
には反射光が１点に結像されず、ある広がりを持つ場合
や、表面の微小凹凸に基づくランダムな反射光点のパタ
ーンであるスペックルパターンを形成する場合があるが
、これらの場合は投影された反射光の平均位置を求める
ことによって、正しく処理を行うことが可能である。In this case, the irradiated light causes strong reflected light on the surface, and by projecting this onto the screen, the inclination can be measured from the imaging position. In reality, the reflected light may not be focused on a single point, but may spread out to a certain extent, or may form a speckle pattern, which is a random pattern of reflected light points based on minute irregularities on the surface, but in these cases. can be processed correctly by finding the average position of the projected reflected light.
第４図は本発明の一実施例を示している。同図において
、２１はレーザユニット、ηはビームエクスパンダ、詔
はレンズ、２４はミラー、５はＸＹステージ、２Ｇはス
クリーン、２７は２次元ＰＳＤカメラ、２８はアナログ
ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、２９はマイクロコンピュ
ータ、３０はステージコントローラ、３１Ａ、３１Ｂ、
３１Ｇ、３１Ｄは横スクリーンである。FIG. 4 shows an embodiment of the present invention. In the figure, 21 is a laser unit, η is a beam expander, 24 is a mirror, 5 is an XY stage, 2G is a screen, 27 is a two-dimensional PSD camera, and 28 is an analog-to-digital (A/D) converter. , 29 is a microcomputer, 30 is a stage controller, 31A, 31B,
31G and 31D are horizontal screens.
第４図において図示省略されているが、被計測物体はＸ
Ｙステージ怒上に載置されている。レーザユニット２１
から発生したレーザビームは、ビームエクスパンダ２２
を経て拡大され、レンズ詔を経て収束され、ミラー２４
を経て反射されて、ＸＹステージδ上の被計測物体上の
所要の点に照射される。Although not shown in Fig. 4, the object to be measured is
It is located on Y stage Ugami. Laser unit 21
The laser beam generated from the beam expander 22
It is expanded through the lens, converged through the lens 24, and
The light is reflected and irradiated onto a desired point on the object to be measured on the XY stage δ.
物体からの反射光はスクリーン２６上に投影されて、そ
の面にスペックルパターンを形成する。２次元ＰＳＤカ
メラｒは、スクリーン妬上の像を撮像してアナログ信号
からなるそのＸＹアドレスを出力する。Ａ／Ｄ変換器四
はこれをディジタル信号に変換し、マイクロコンピュー
タ２９に入力する。The reflected light from the object is projected onto the screen 26 to form a speckle pattern on the screen. The two-dimensional PSD camera r captures an image on the screen and outputs its XY address consisting of an analog signal. A/D converter 4 converts this into a digital signal and inputs it to microcomputer 29.
マイクロコンピュータ２９は（１）式の関係によって物
体面の傾きを求めて、それを表す出力を発生する。The microcomputer 29 determines the inclination of the object plane according to the relationship of equation (1) and generates an output representing the inclination.
さらにマイクロコンピュータ２８は、演算終了ごとにス
テージコントローラ３０に指令を出力し、これによって
ステージコントローラ３０はＸＹステージ２５を制御し
てその位置を微小変位させる。このようにして物体を連
続的に移動させて傾きを求めることによって、物体の面
の形状を求めることもできる。Further, the microcomputer 28 outputs a command to the stage controller 30 every time the calculation is completed, and the stage controller 30 thereby controls the XY stage 25 to slightly displace its position. By continuously moving the object in this way and finding the inclination, it is also possible to find the shape of the surface of the object.
このようにしてスクリーン２６のみを用いて計測を行う
場合は、計測可能な物体面の傾きは水平に近い、例えば
Ｏ°〜２０”程度の範囲に限られる。When performing measurements using only the screen 26 in this manner, the measurable inclination of the object surface is limited to a range close to horizontal, for example, approximately 0° to 20''.
さらに傾斜角が大きい物体の計測を行う場合は、横方向
にもスクリーンとＰＳＤカメラを設けることが必要であ
る。第４図において、スクリーン３１Ａ、３１Ｂ、３１
Ｃ，３１Ｄはこのような目的から設けられた横スクリー
ンを示し、図示省略されているが、各横スクリーンに対
応して、それぞれそのスクリーン面を撮像可能なＰＳＤ
カメラが設けられている。従って第４図の構成によれば
、面の傾きが大きい場合を含むあらゆる形状の物体面の
傾きの計測を行うことができる。Furthermore, when measuring an object with a large inclination angle, it is necessary to provide a screen and a PSD camera in the lateral direction as well. In FIG. 4, screens 31A, 31B, 31
C and 31D indicate horizontal screens provided for this purpose, and although not shown, PSDs corresponding to each horizontal screen are capable of capturing an image of the screen surface.
A camera is provided. Therefore, according to the configuration shown in FIG. 4, it is possible to measure the inclination of an object surface of any shape, including cases where the inclination of the surface is large.
第５図は本発明の応用例を示し、チップ部品の半田検査
に用いた場合を例示している。同図においては、基板３
１上に設けられた導体箔ｎに対し、チップ部品３３を半
田３４．３４によって半田付けした場合における半田量
の正常または不足を検査する際に、本発明装置を通用す
ることが示されている。FIG. 5 shows an example of application of the present invention, illustrating a case where it is used for solder inspection of chip components. In the figure, the board 3
It has been shown that the apparatus of the present invention can be used when inspecting whether the amount of solder is normal or insufficient when a chip component 33 is soldered with solder 34 or 34 to a conductor foil n provided on .
すなわちレーザビームを半田３４の面に照射し、面の傾
きを計測することによって、正常な場合３４Ａと不足の
場合３４Ｂとを判別することができる。なお半田面の傾
きは通常比較的大きいので、第４図において説明した横
スクリーンを用いることが必要になる場合が多いと思わ
れる。That is, by irradiating the surface of the solder 34 with a laser beam and measuring the inclination of the surface, it is possible to determine whether 34A is normal or 34B is insufficient. Note that since the slope of the solder surface is usually relatively large, it is considered that it is often necessary to use the horizontal screen described in FIG. 4.
第６図は本発明の他の実施例を示したものである。同図
において４１は半球状スクリーン、４２はスクリーンの
中心に設けられた孔、４３．４３°はレンズ、４４．４
４’ はＰＳＤカメラである。FIG. 6 shows another embodiment of the invention. In the figure, 41 is a hemispherical screen, 42 is a hole provided in the center of the screen, 43.43° is a lens, and 44.4
4' is a PSD camera.
第６図の場合、レーザビームは孔４２を通じて半球状ス
クリーン４１内の中央部に置かれた被計測物体に照射さ
れる。物体表面からの反射光によってスクリーン４１の
面に反射光点が投影される。その像はレンズ４３または
４３°を経て、ＰＳＤカメラ４４または４４”において
撮像される。In the case of FIG. 6, the laser beam is irradiated through the hole 42 to the object to be measured placed in the center of the hemispherical screen 41. A reflected light spot is projected onto the surface of the screen 41 by the reflected light from the object surface. The image passes through a lens 43 or 43° and is captured by a PSD camera 44 or 44''.
この場合も半球状スクリーン４１上の反射光の結像点の
位置によって、被計測物体面の傾きを知ることができる
。この場合１個のレンズとＰＳＤカメラのみによっては
、半球状スクリーン４１上のすべての結像点を撮像する
ことは不可能であり、適当な組数のレンズとＰＳＤカメ
ラとを、半球状スクリーン４１の周囲に配置する必要が
ある。In this case as well, the inclination of the object surface to be measured can be determined based on the position of the imaging point of the reflected light on the hemispherical screen 41. In this case, it is impossible to image all the imaging points on the hemispherical screen 41 using only one lens and a PSD camera, and an appropriate number of lenses and a PSD camera are used on the hemispherical screen 41. must be placed around the
以上説明したように本発明によれば、レーザスポット照
射系とスクリーンおよびＰＳＤカメラを具えることによ
って、簡単な構成で物体の傾きを計測することが可能と
なる。またＰＳＤカメラからは光位置信号が実時間で出
力され、これに対して簡単な演算で傾きを示す出力を得
ることができるので高速に、傾き計測を行うことができ
る。As described above, according to the present invention, by providing a laser spot irradiation system, a screen, and a PSD camera, it is possible to measure the inclination of an object with a simple configuration. In addition, the PSD camera outputs an optical position signal in real time, and since an output indicating the tilt can be obtained by simple calculation on the optical position signal, the tilt can be measured at high speed.
第１図は本発明の原理的構成を示す図、第２図は本発明
の詳細な説明する図、
第３図は傾き角の計算方法を説明する図、第４図は本発
明の一実施例を示す図、
第５図は本発明の応用例を示す図、
第６図は本発明の他の実施例を示す図である。
２１・・・レーザユニット
２２・・・ビームエクスパンダ
詔・・・レンズ
２４・・・ミラー
怒・・・ＸＹステージ
妬・・・スクリーン
２７・・・２次元ＰＳＤカメラ
舘・・・アナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２９・・
・マイクロコンピュータ
３０・・・ステージコントローラ
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｇ、３１Ｄ・・・横スクリーン４
１・・・半球状スクリーン
４２・・・孔
招、４３°・・・レンズ
４４、４４°・・・ＰＳＤカメラFig. 1 is a diagram showing the basic configuration of the present invention, Fig. 2 is a diagram explaining the present invention in detail, Fig. 3 is a diagram explaining the method of calculating the inclination angle, and Fig. 4 is an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing an example of application of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing another embodiment of the present invention. 21... Laser unit 22... Beam expander order... Lens 24... Mirror angle... XY stage envy... Screen 27... 2D PSD camera stand... Analog digital /D) Converter 29...
・Microcomputer 30...Stage controller 31A, 31B, 31G, 31D...Horizontal screen 4
1... Hemispherical screen 42... Hole opening, 43°... Lens 44, 44°... PSD camera
Claims (1)
照明光に基づく物体からの反射光を結像させるスクリー
ン（２）と、 該スクリーン（２）上の結像点の位置を計測する撮像手
段（３）と、 該位置計測データから物体面の傾きを求める演算手段（
４）とを具えてなることを特徴とする形状計測装置。[Claims] Illumination means (1) for spot illuminating an object, a screen (2) for forming an image of reflected light from the object based on the spot illumination light, and an image forming point on the screen (2). An imaging means (3) for measuring the position, and a calculation means (3) for calculating the inclination of the object surface from the position measurement data.
4) A shape measuring device comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26323587A JPH01105105A (en) | 1987-10-19 | 1987-10-19 | Shape measuring instrument |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26323587A JPH01105105A (en) | 1987-10-19 | 1987-10-19 | Shape measuring instrument |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01105105A true JPH01105105A (en) | 1989-04-21 |
Family
ID=17386655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26323587A Pending JPH01105105A (en) | 1987-10-19 | 1987-10-19 | Shape measuring instrument |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01105105A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009014639A (en) * | 2007-07-09 | 2009-01-22 | Sanyo Electric Co Ltd | Beam radiation unit and laser radar |
-
1987
- 1987-10-19 JP JP26323587A patent/JPH01105105A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009014639A (en) * | 2007-07-09 | 2009-01-22 | Sanyo Electric Co Ltd | Beam radiation unit and laser radar |
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