JPH0540821A - 三次元計測装置 - Google Patents
三次元計測装置Info
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- JPH0540821A JPH0540821A JP3217984A JP21798491A JPH0540821A JP H0540821 A JPH0540821 A JP H0540821A JP 3217984 A JP3217984 A JP 3217984A JP 21798491 A JP21798491 A JP 21798491A JP H0540821 A JPH0540821 A JP H0540821A
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- length measuring
- axis
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 対象物に影響されることなく対象物の３軸方
向の寸法を高精度で計測でき、計測レンジも広い三次元
計測装置を提供する。 【構成】 Ｚステージ４に画像処理用ＣＣＤカメラ５と
レーザ測長器６を固定する。レーザ測長器６は、共焦点
反射型光学系を用いたものであり、対象物３が一定位置
（物側焦点位置）にある場合にのみ検出信号を得ること
ができ、しかも、その検知範囲は狭い。画像処理用ＣＣ
Ｄカメラ５は、対象物３のＸ軸方向及びＹ軸方向寸法
（あるいは、ＸＹ平面内の平面形状）を計測する。レー
ザ測長器６は、Ｚステージ４を移動させながら対象物３
の表面と物側焦点との一致を監視し、Ｚステージ４の移
動量から対象物３のＺ軸方向寸法を検出する。
向の寸法を高精度で計測でき、計測レンジも広い三次元
計測装置を提供する。 【構成】 Ｚステージ４に画像処理用ＣＣＤカメラ５と
レーザ測長器６を固定する。レーザ測長器６は、共焦点
反射型光学系を用いたものであり、対象物３が一定位置
（物側焦点位置）にある場合にのみ検出信号を得ること
ができ、しかも、その検知範囲は狭い。画像処理用ＣＣ
Ｄカメラ５は、対象物３のＸ軸方向及びＹ軸方向寸法
（あるいは、ＸＹ平面内の平面形状）を計測する。レー
ザ測長器６は、Ｚステージ４を移動させながら対象物３
の表面と物側焦点との一致を監視し、Ｚステージ４の移
動量から対象物３のＺ軸方向寸法を検出する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は三次元計測装置に関す
る。具体的にいうと、非接触式で対象物の三次元寸法を
計測する三次元計測装置に関する。
る。具体的にいうと、非接触式で対象物の三次元寸法を
計測する三次元計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】対象物の三次元寸法（つまり、装置の軸
方向〔以下、Ｚ軸方向とする。〕の寸法と軸方向に垂直
な２方向〔以下、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とする。〕の寸
法）を計測するための三次元計測装置としては、画像処
理カメラを用いたものがある。この画像処理カメラのＺ
軸方向（画像処理カメラの光軸方向）の計測精度は、画
像処理カメラに用いられているオートフォーカス機能の
精度によって決まる。しかし、オートフォーカスの測長
精度はせいぜい数１０μｍであって、Ｚ軸方向の測長精
度がＸ軸方向及びＹ軸方向に比べて悪かった。
方向〔以下、Ｚ軸方向とする。〕の寸法と軸方向に垂直
な２方向〔以下、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とする。〕の寸
法）を計測するための三次元計測装置としては、画像処
理カメラを用いたものがある。この画像処理カメラのＺ
軸方向（画像処理カメラの光軸方向）の計測精度は、画
像処理カメラに用いられているオートフォーカス機能の
精度によって決まる。しかし、オートフォーカスの測長
精度はせいぜい数１０μｍであって、Ｚ軸方向の測長精
度がＸ軸方向及びＹ軸方向に比べて悪かった。
【０００３】このため従来より、上記画像処理カメラに
Ｚ軸測長専用機を付加して用い、Ｚ軸測長精度を向上さ
せている。このＺ軸測長専用機としては、従来は、光切
断法を利用したＺ軸測長専用機や三角測量の原理を利用
したＺ軸測長専用機が用いられていた。
Ｚ軸測長専用機を付加して用い、Ｚ軸測長精度を向上さ
せている。このＺ軸測長専用機としては、従来は、光切
断法を利用したＺ軸測長専用機や三角測量の原理を利用
したＺ軸測長専用機が用いられていた。
【０００４】図４は光切断法を利用したＺ軸測長専用機
５１の概略図である。これは、スリット光照射部５２か
ら対象物５４に向けて斜めにスリット光５３を照射し
（図５（ａ））、対象物５４の表面における光パターン
５５（スリット光５３と平行な断面における表面側の縁
の形状に相当する。）を対物レンズ５６を通してＣＣＤ
（電荷結合素子）カメラ５７でとらえ、図５（ｂ）に示
すように光パターン５５をモニタ５８に表示させ、モニ
タ５８に表示された光パターン５５から対象物５４のＺ
軸方向の寸法（高さの変化）を知るものである。
５１の概略図である。これは、スリット光照射部５２か
ら対象物５４に向けて斜めにスリット光５３を照射し
（図５（ａ））、対象物５４の表面における光パターン
５５（スリット光５３と平行な断面における表面側の縁
の形状に相当する。）を対物レンズ５６を通してＣＣＤ
（電荷結合素子）カメラ５７でとらえ、図５（ｂ）に示
すように光パターン５５をモニタ５８に表示させ、モニ
タ５８に表示された光パターン５５から対象物５４のＺ
軸方向の寸法（高さの変化）を知るものである。
【０００５】しかしながら、光切断法では、スリット光
を斜めから対象物に照射するので、測定対象物の形状の
影響を受け易く、例えば、対象物のスリット光照射側に
大きな突出部等があると、影が生じて光パターンが変化
するという欠点がある。また、斜め断面を表わす光パタ
ーンからＺ軸測長しようとするものであるので、測定精
度は低かった。
を斜めから対象物に照射するので、測定対象物の形状の
影響を受け易く、例えば、対象物のスリット光照射側に
大きな突出部等があると、影が生じて光パターンが変化
するという欠点がある。また、斜め断面を表わす光パタ
ーンからＺ軸測長しようとするものであるので、測定精
度は低かった。
【０００６】図６（ａ）は三角測量の原理を利用したＺ
軸測長専用機６１の正面図である。これは、Ｚ軸測長専
用機６１から出射した光６２を対象物６３に照射し、対
象物６３からの反射光を検出することによって対象物６
３のＺ軸方向の長さを検出するものである。図６（ｂ）
はこのＺ軸測長専用機６１の基本構成を示す概略図であ
って、半導体レーザ素子６４から出射された光６２は、
集光レンズ６５によって集光され、対象物６３に照射さ
れる。対象物６３までの距離によって位置検出素子（Ｐ
ＳＤ）６６の受光位置が変化するので、位置検出素子６
６の出力の変化から対象物６３のＺ軸方向の寸法を検出
できる。
軸測長専用機６１の正面図である。これは、Ｚ軸測長専
用機６１から出射した光６２を対象物６３に照射し、対
象物６３からの反射光を検出することによって対象物６
３のＺ軸方向の長さを検出するものである。図６（ｂ）
はこのＺ軸測長専用機６１の基本構成を示す概略図であ
って、半導体レーザ素子６４から出射された光６２は、
集光レンズ６５によって集光され、対象物６３に照射さ
れる。対象物６３までの距離によって位置検出素子（Ｐ
ＳＤ）６６の受光位置が変化するので、位置検出素子６
６の出力の変化から対象物６３のＺ軸方向の寸法を検出
できる。
【０００７】しかし、この三角測量の原理を利用したＺ
軸測長専用機にあっても、計測レンジが狭いという難点
があった。
軸測長専用機にあっても、計測レンジが狭いという難点
があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、測定対象物に影響されることなく高精度で計測
することができ、計測レンジも広い三次元計測装置を提
供することにある。
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、測定対象物に影響されることなく高精度で計測
することができ、計測レンジも広い三次元計測装置を提
供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の三次元計測装置
は、画像処理を利用した計測装置本体と、共焦点反射型
光学系を用いたレーザ測長器と、レーザ測長器の物側焦
点位置をレーザ測長器の測長方向に走査させるための手
段とからなることを特徴としている。
は、画像処理を利用した計測装置本体と、共焦点反射型
光学系を用いたレーザ測長器と、レーザ測長器の物側焦
点位置をレーザ測長器の測長方向に走査させるための手
段とからなることを特徴としている。
【００１０】
【作用】本発明の三次元計測装置は、Ｚ軸測長専用機と
して共焦点反射型光学系のレーザ測長器を用いたもので
ある。共焦点反射型光学系は、一定の面上（物側焦点位
置）でのみピントが合って像が得られ、しかも、ピント
の合う範囲が非常に狭いという特徴がある。従って、画
像処理を利用した三次元計測装置本体に当該レーザ測長
器を付加することにより、対象物の平面形状と垂直方向
の寸法を高精度に検出することができる。特に、Ｚ軸測
長精度は、三角測量を利用したＺ軸測長専用機を用いた
三次元計測装置よりも向上する。
して共焦点反射型光学系のレーザ測長器を用いたもので
ある。共焦点反射型光学系は、一定の面上（物側焦点位
置）でのみピントが合って像が得られ、しかも、ピント
の合う範囲が非常に狭いという特徴がある。従って、画
像処理を利用した三次元計測装置本体に当該レーザ測長
器を付加することにより、対象物の平面形状と垂直方向
の寸法を高精度に検出することができる。特に、Ｚ軸測
長精度は、三角測量を利用したＺ軸測長専用機を用いた
三次元計測装置よりも向上する。
【００１１】また、レーザ光は対象物に垂直に照射され
るので、光切断法を利用した三次元計測装置のように測
定対象物の形状の影響を受けることもない。
るので、光切断法を利用した三次元計測装置のように測
定対象物の形状の影響を受けることもない。
【００１２】さらに、レーザ測長器の物側焦点位置を走
査させる手段を備えているので、計測レンジが広くな
り、広い範囲にわたってＺ軸方向の寸法を計測すること
ができる。
査させる手段を備えているので、計測レンジが広くな
り、広い範囲にわたってＺ軸方向の寸法を計測すること
ができる。
【００１３】
【実施例】図１は本発明による三次元計測装置１の概略
構成を示す。２は上面に対象物３を載置してＸＹ平面と
平行に移動するＸＹステージ、４はＺ軸方向に移動する
Ｚステージである。Ｚステージ４には、画像処理用ＣＣ
Ｄカメラ５とレーザ測長器６がオフセット量δだけ離し
て平行に固定されている。画像処理用ＣＣＤカメラ５の
信号とレーザ測長器６の信号とは、画像処理演算部７に
入力されており、画像処理用ＣＣＤカメラ５と画像処理
演算部７とによって計測装置本体が構成されている。ま
た、レーザ測長器６は、Ｚ軸測長専用機となっている。
構成を示す。２は上面に対象物３を載置してＸＹ平面と
平行に移動するＸＹステージ、４はＺ軸方向に移動する
Ｚステージである。Ｚステージ４には、画像処理用ＣＣ
Ｄカメラ５とレーザ測長器６がオフセット量δだけ離し
て平行に固定されている。画像処理用ＣＣＤカメラ５の
信号とレーザ測長器６の信号とは、画像処理演算部７に
入力されており、画像処理用ＣＣＤカメラ５と画像処理
演算部７とによって計測装置本体が構成されている。ま
た、レーザ測長器６は、Ｚ軸測長専用機となっている。
【００１４】レーザ測長器６は、共焦点反射型光学系を
用いたものであり、図２は共焦点反射型光学系の原理図
を示している。点光源８から出射された光αはビームス
プリッタ９で反射され、対物レンズ１０を通過し、物側
焦点位置にある対象物３の表面に集光される。一方、対
象物３の表面で反射された光αは、対物レンズ１０及び
ビームスプリッタ９を通過し、像側焦点位置に設けられ
たピンホール１１で集光された後、ピンホール１１と対
向して配置されたＣＣＤイメージセンサのような検出器
１２に結像される。しかして、このような共焦点反射型
光学系では、対象物３が物側焦点位置にある場合には、
検出器１２における検出強度は極めて大きいが、対象物
３が物側焦点位置から少しでも外れると、検出器１２の
検出強度が急激に低下する。従って、レーザ測長器６に
共焦点反射型光学系を利用すれば、対象物３が一定位置
（物側焦点位置）にある場合にのみ検出信号を得ること
ができ、しかも、その検知位置は狭いので、高精度のＺ
軸測長専用機とすることができる。
用いたものであり、図２は共焦点反射型光学系の原理図
を示している。点光源８から出射された光αはビームス
プリッタ９で反射され、対物レンズ１０を通過し、物側
焦点位置にある対象物３の表面に集光される。一方、対
象物３の表面で反射された光αは、対物レンズ１０及び
ビームスプリッタ９を通過し、像側焦点位置に設けられ
たピンホール１１で集光された後、ピンホール１１と対
向して配置されたＣＣＤイメージセンサのような検出器
１２に結像される。しかして、このような共焦点反射型
光学系では、対象物３が物側焦点位置にある場合には、
検出器１２における検出強度は極めて大きいが、対象物
３が物側焦点位置から少しでも外れると、検出器１２の
検出強度が急激に低下する。従って、レーザ測長器６に
共焦点反射型光学系を利用すれば、対象物３が一定位置
（物側焦点位置）にある場合にのみ検出信号を得ること
ができ、しかも、その検知位置は狭いので、高精度のＺ
軸測長専用機とすることができる。
【００１５】上記のような共焦点反射型光学系を利用し
た光学機器としてはレーザ顕微鏡があるので、本発明の
レーザ測長器もレーザ顕微鏡と同様な構成とすることが
できる。図３はレーザ測長器の一例の概略構成を示す。
すなわち、Ｈｅ−Ｎｅ等のレーザ管１３から射出し、ビ
ームエキスパンダー１４を通過したレーザ光βは、ミラ
ー１５で光路を略４５度変更され、ＡＯ（Acoustic Opt
ical）素子１６を通過する。ＡＯ素子１６は、印加電圧
に比例した角度だけレーザ光βの進路を曲げることがで
きる。さらに、レーザ光βは、ＡＯ素子１６を通過した
後、ビームスプリッタ９で反射され、さらに振動ミラー
１８及びミラー１９で反射され、対物レンズ１０で集光
されて対象物３の表面に集光される。対象物３の表面で
反射されたレーザ光βは、再び対物レンズ１０を通って
元の方向へ戻り、ミラー１９及び振動ミラー１８で反射
し、ビームスプリッタ９を透過しピンホール（図３では
図示せず）を通過した後、検出器１２に結像される。こ
のとき、レーザ光βは、ＡＯ素子１６によって例えば１
５.７３ｋＨｚの周波数で対象物３の表面をＸ方向に走
査され、振動ミラーヘッド１７によって振動ミラー１８
を例えば６０Ｈｚの周波数で回動させることにより対象
物３の表面を直交するＹ方向に走査される。こうしてレ
ーザ光βを対象物３の表面で面状に走査させ、検出器１
２で検出すれば、対象物３が物側焦点位置に一致した場
合にのみ検出信号を得ることができる。
た光学機器としてはレーザ顕微鏡があるので、本発明の
レーザ測長器もレーザ顕微鏡と同様な構成とすることが
できる。図３はレーザ測長器の一例の概略構成を示す。
すなわち、Ｈｅ−Ｎｅ等のレーザ管１３から射出し、ビ
ームエキスパンダー１４を通過したレーザ光βは、ミラ
ー１５で光路を略４５度変更され、ＡＯ（Acoustic Opt
ical）素子１６を通過する。ＡＯ素子１６は、印加電圧
に比例した角度だけレーザ光βの進路を曲げることがで
きる。さらに、レーザ光βは、ＡＯ素子１６を通過した
後、ビームスプリッタ９で反射され、さらに振動ミラー
１８及びミラー１９で反射され、対物レンズ１０で集光
されて対象物３の表面に集光される。対象物３の表面で
反射されたレーザ光βは、再び対物レンズ１０を通って
元の方向へ戻り、ミラー１９及び振動ミラー１８で反射
し、ビームスプリッタ９を透過しピンホール（図３では
図示せず）を通過した後、検出器１２に結像される。こ
のとき、レーザ光βは、ＡＯ素子１６によって例えば１
５.７３ｋＨｚの周波数で対象物３の表面をＸ方向に走
査され、振動ミラーヘッド１７によって振動ミラー１８
を例えば６０Ｈｚの周波数で回動させることにより対象
物３の表面を直交するＹ方向に走査される。こうしてレ
ーザ光βを対象物３の表面で面状に走査させ、検出器１
２で検出すれば、対象物３が物側焦点位置に一致した場
合にのみ検出信号を得ることができる。
【００１６】なお、本発明のレーザ測長器６では、走査
系は必ずしも必要ないので、図３の構成のうちＡＯ素子
１６や振動ミラー１８等は省略しても差し支えない。
系は必ずしも必要ないので、図３の構成のうちＡＯ素子
１６や振動ミラー１８等は省略しても差し支えない。
【００１７】しかして、計測時には、対象物３をＸＹス
テージ２上にセットし、ＸＹステージ２を移動させるこ
とによって対象物３を画像処理用ＣＣＤカメラ５の直下
へ運ぶ。ついで、画像処理用ＣＣＤカメラ５によって対
象物３をとらえ、対象物３のＸ軸方向及びＹ軸方向の寸
法（あるいは、ＸＹ平面内の平面形状）と概略のＺ軸方
向寸法を計測することができる。ついで、ＸＹステージ
２をオフセット量δだけ移動させ、対象物３の上面の画
像処理用ＣＣＤカメラ５の光軸上にあった点をレーザ測
長器６の光軸に一致させる。続けて、レーザ測長器６で
対象物３を検出しながらＺステージ４をＺ軸方向へ連続
的に移動させ、画像処理演算部７でレーザ測長器６の出
力を監視する。このとき、レーザ測長器６の出力は、対
象物３の表面がレーザ測長器６の物側焦点に一致した時
に最大値となるので、その時のＺステージ４の移動量か
ら対象物３のＺ軸方向寸法を知ることができる。しか
も、その出力の最大値は、鋭いピークを示すので、高精
度のＺ軸測長精度を得ることができる。
テージ２上にセットし、ＸＹステージ２を移動させるこ
とによって対象物３を画像処理用ＣＣＤカメラ５の直下
へ運ぶ。ついで、画像処理用ＣＣＤカメラ５によって対
象物３をとらえ、対象物３のＸ軸方向及びＹ軸方向の寸
法（あるいは、ＸＹ平面内の平面形状）と概略のＺ軸方
向寸法を計測することができる。ついで、ＸＹステージ
２をオフセット量δだけ移動させ、対象物３の上面の画
像処理用ＣＣＤカメラ５の光軸上にあった点をレーザ測
長器６の光軸に一致させる。続けて、レーザ測長器６で
対象物３を検出しながらＺステージ４をＺ軸方向へ連続
的に移動させ、画像処理演算部７でレーザ測長器６の出
力を監視する。このとき、レーザ測長器６の出力は、対
象物３の表面がレーザ測長器６の物側焦点に一致した時
に最大値となるので、その時のＺステージ４の移動量か
ら対象物３のＺ軸方向寸法を知ることができる。しか
も、その出力の最大値は、鋭いピークを示すので、高精
度のＺ軸測長精度を得ることができる。
【００１８】上記のようにレーザ測長器６は、物側焦点
位置でしか出力を得ることができないので、高精度のＺ
軸測長精度を得ることができ、しかも、Ｚステージ４に
よりレーザ測長器６をＺ軸方向に移動させることにより
広い計測レンジを得ることができる。従って、画像処理
を利用した計測装置本体により対象物３の平面形状を計
測し、レーザ測長器６によって対象物３の高さを計測す
ることにより、対象物３の三次元形状を高精度に計測す
ることができる。
位置でしか出力を得ることができないので、高精度のＺ
軸測長精度を得ることができ、しかも、Ｚステージ４に
よりレーザ測長器６をＺ軸方向に移動させることにより
広い計測レンジを得ることができる。従って、画像処理
を利用した計測装置本体により対象物３の平面形状を計
測し、レーザ測長器６によって対象物３の高さを計測す
ることにより、対象物３の三次元形状を高精度に計測す
ることができる。
【００１９】なお、計測器本体は、Ｚ軸方向の寸法を計
測する機能のない二次元計測用であってもよいのは、も
ちろんである。
測する機能のない二次元計測用であってもよいのは、も
ちろんである。
【００２０】
【発明の効果】本発明の三次元計測装置によれば、画像
処理を利用した三次元計測装置本体によって対象物の平
面形状を高精度に計測することができ、また、レーザ測
長器によって対象物の高さを高精度に検出することがで
きる。従って、対象物の平面内の寸法（平面形状）と垂
直方向の寸法（対象物の高さ）を高精度に検出すること
ができる。
処理を利用した三次元計測装置本体によって対象物の平
面形状を高精度に計測することができ、また、レーザ測
長器によって対象物の高さを高精度に検出することがで
きる。従って、対象物の平面内の寸法（平面形状）と垂
直方向の寸法（対象物の高さ）を高精度に検出すること
ができる。
【００２１】また、計測レンジも広く、測定対象物の形
状の影響も受けにくいという利点がある。
状の影響も受けにくいという利点がある。
【図１】本発明の一実施例による三次元計測装置を示す
概略構成図である。
概略構成図である。
【図２】共焦点反射型光学系の原理図である。
【図３】同上のレーザ測長器の構成を示す概略斜視図で
ある。
ある。
【図４】従来例の三次元計測装置におけるＺ軸測長専用
機を示す正面図である。
機を示す正面図である。
【図５】（ａ）はスリット光を対象物に照射した状態を
示す斜視図、（ｂ）はモニタに表示された光パターンを
示す図である。
示す斜視図、（ｂ）はモニタに表示された光パターンを
示す図である。
【図６】（ａ）は別な従来例の三次元計測装置における
Ｚ軸測長専用機を示す正面図、（ｂ）はその内部構成を
示す概略図である。
Ｚ軸測長専用機を示す正面図、（ｂ）はその内部構成を
示す概略図である。
【符号の説明】 ３ 対象物 ４ Ｚステージ ５ 画像処理用ＣＣＤカメラ ６ レーザ測長器 ７ 画像処理演算部
フロントページの続き (72)発明者 北中 正教 京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン 株式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】 画像処理を利用した計測装置本体と、共
焦点反射型光学系を用いたレーザ測長器と、レーザ測長
器の物側焦点位置をレーザ測長器の測長方向に走査させ
るための手段とからなる三次元計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3217984A JPH0540821A (ja) | 1991-08-03 | 1991-08-03 | 三次元計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3217984A JPH0540821A (ja) | 1991-08-03 | 1991-08-03 | 三次元計測装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0540821A true JPH0540821A (ja) | 1993-02-19 |
Family
ID=16712802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3217984A Pending JPH0540821A (ja) | 1991-08-03 | 1991-08-03 | 三次元計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0540821A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005506710A (ja) * | 2001-10-25 | 2005-03-03 | カムテック エルティーディー． | 共焦点ウェハ検査系及び方法 |
| JP2009128026A (ja) * | 2007-11-20 | 2009-06-11 | Sony Corp | 物体検知装置および物体検知方法 |
-
1991
- 1991-08-03 JP JP3217984A patent/JPH0540821A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005506710A (ja) * | 2001-10-25 | 2005-03-03 | カムテック エルティーディー． | 共焦点ウェハ検査系及び方法 |
| JP2009128026A (ja) * | 2007-11-20 | 2009-06-11 | Sony Corp | 物体検知装置および物体検知方法 |
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