JPS6361110A

JPS6361110A - 高速三次元測定方法及び装置

Info

Publication number: JPS6361110A
Application number: JP13105387A
Authority: JP
Inventors: ドナルド　ジェイ　スヴェットコフ; ブライアン　ドス; ディヴィッド　エヌ　スミス
Original assignee: SHINSETEITSUKU BUIJIYON SYST I; SHINSETEITSUKU BUIJIYON SYST Inc
Current assignee: SHINSETEITSUKU BUIJIYON SYST I; SHINSETEITSUKU BUIJIYON SYST Inc
Priority date: 1986-05-27
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1988-03-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は試料台上の物体を高速度で三次元測定し、前記
物体に関連する立体情報を形成する高速三次元測定方法
及び装置に関する。

特に、本発明は、制御した光線を物体に照射し、結像面
におけるレーザ光斑の位置を検出することによって、試
料台上の物体を高速度で三次元測定し、前記物体に関連
する立体情報を形成する高速三次元測定方法及び装置に
関する。

〔従来技術及び発明が解決すべき問題点〕多くの機械的
測定装置において、測定する奥行きが異なると、特にグ
レイ・スケール又は強度のコントラストが悪く見分けづ
らい場合、検査して得る情報を多くしなければならない
。実際、同装置は二次元用はまれであり、三次元用のも
のが提案されてきた。ＳＭＤ　（表面取り付けされた装
置）は、奥行きを検査することが部品の存在及び方向を
判断するのに有効であるような装置の良い例である。こ
のようにしないと、部品の色、生地、背景を変える等、
特殊な技術が通常必要とされる。

標準の回路検査の技術においても、奥行きを検査できる
ことが望ましい。例えば、操作者が顕微鏡を用いて検査
する際でも、色と奥行きの両方を利用している。

奥行きを検出する技術は、制御された放射光源が不要な
場合は受動的であり、放射エネルギー・ビームを利用す
る場合は能動的である。受動的な技術は測定すべき物体
又はその背景と余り関係がなく、コンピューター画像及
び精神物理学が主要な研究課題である。例えば、立体的
不一致、カメラ動作、表面反射、きめの細かさ、影、及
び光吸収に基づいた方法が研究されてきた。これらの技
術は、しばしば精神物理学と関連する。例えば、人間の
視覚系による奥行きの判断は、これらの方法の組み合わ
さったものであると考えられている。

受動的な技術の欠点は、奥行きを地図化するのに大量の
計算を必要とすることである。三次元不一致及びカメン
動作に基づく方法は、非常に強力であるが、一連の画像
に一致性を必要とする。この−数件を構造的に生じる方
法は、現在リアル・タイムのコンピューター機器用のも
のとして未だに開発されていない。しかし、表面の特性
を表示する技術を含めて、奥行き判断の幾つかの技術は
開発されてきている。

能動的な技術は、エネルギー・ビームを利用し、飛行時
間を記録することによって、上記不一致性の問題を解消
し、直接奥行きを測定するものである。（米国特許４，
２１２，５３４号等のソナー及びレーダー装置）。また
、奥行きは、配置変更（三角測量及び格子符号化）、基
準光線に対するレーザ光線の位相変位（レーザー・レー
ダー）、影の長さく方向性照明）によっても測定するこ
とが出来る。

奥行きを地図化する多数の計算が不要となり、情報処理
も三次元特性の算出、表面の状態、画像解析だけで済む
ようになる。強度及び色によって分別化の改善された装
置では、領域と強度の両データを用いることが出来る。

三角測量法又は光の構成概念は、密で、高解像（約１ｍ
１１又は以上）の、高速データ（１０Ｍｌｌｚ）の三次
元像を安価に提供する可能性を有する。この三角測量法
は、最も古い奥行きの検出法であるが、新しい発展をし
続けていくものである。一方、レーザ・レーダによる方
法は機械的測定法としては比較的新しいものであり、利
点を有するけれども、データ速度が比較的遅（、変調周
波数がＧＨ−ｚ帯まで広いため高解像に要する費用が高
いという欠点を有する。これに反して、三角測量法は比
較的単純であり、元来、高解像能力を有しているという
利点がある。

基本的な三角測量法の改善として、単一及び複合しま（
格子模様）の投影、しま走査、フライング・スポット・
スキャナーがある。構成された光を用いる三次元測定装
置の１例として、米国特許４．１０５，９２５号がある
。この装置は、基準面が照射された場合にのみ、光線を
測定するように配置された線状配置センサーを有する。

物体が存在すると、光線は破壊される。その物体は線形
センサーによって走査されるので、二連の像が得られ、
その物体の存在と方向を知ることが出来る。

高さを測定する市販の三次元観測装置は、マイクロプロ
セッサ−によるレーザ光線区分装置を有する。この装置
は、約３０ｋｌｌｚのデータ速度に応じて、毎秒、４８
０のｘ、ｙ、ｚ座標を６０フイールド形成することだ出
来る。各データ列によって、全体画像をフィールドする
ことが出来る。２分の１インチ角の物体が１ミリのｘ、
ｙ、ｚ解像度にて測定する場合には、コンベアベルト上
を流れる部品を１（１１）％検査できる最大速度は、約
３０秒／１インチである。

この単一しま装置は検量と部分検査に最適であり、ひん
ばんに変化しない安定的な画像に適する。

これらの装置は、画像処理や１（１１）％検査よりも、
むしろ検量に多く使用される。適当なサンプリング及び
、密な三次元情報を得るためには、しまは物体を横切る
ように走査され、データ速度を制限できる一列のカメラ
又は−列のセンサーによって観測されねばならない。

三次元測定装置においてデータを得る一方法として、米
国特許４，３７５，９２１号にて開示されたように、三
次元測定装置に多用される線走査又は列センサーを横断
効果ホト・ダイオードによって置きかえる方法がある。

この方法によって、多重しま装置における不明瞭さは改
善され、測定可能な範囲変化も比較的大きくなる。従っ
て、全面を検出できるようになり、多重しま装置のよう
に検出器の領域を分割する必要もなくなる。

しかし、上記装置の多くは、増幅回路の帯域幅がＩＭＨ
２以下である。二連式検出器装置（三室）は３０ＭＨｚ
の帯域幅を有するものもあるが、光の少ない状態で、特
に広い視野に渡り検査する時は、基本的な三角測量法は
有効ではない。また、これらの装置は、まだら模様及び
幾何学的歪みに対しても弱い。

米国特許４，０６８，９５５号及び４，１９２，６１２
号における厚さ測定装置は、周知の三角法によって、距
離又は離れた物体の厚さを測定するためのデータを得る
ものであり、光線は測定すべき物体の表面と反対の光線
分割鏡によって向けられている。物体表面に関して入射
及び反射の相対的角度を確実にするために、適当な三角
法によって、物体の厚さを近似的に測定する。

米国特許４，４７２，０５６は、プリント基板の半田付
は領域及び取り付は部品や、ＬＳＩ接着工程の動揺等の
、三次元製品や部品の形状を検出する装置である。この
装置は物体の高さ方向の結像レンズによって輝線像を形
成する走像部と、回部による走査方向と直角な一列の感
像素子によって輝線像を自動的に走査する一方向怒像装
置とから成る。

この装置は読み出し時間が非常に限定されてしまうので
、多くの光検出器によって三次元点を測定しなければな
らない。

米国特許４，３５５，９０４号の装置は、ホト・ダイオ
ード等、一対の光検出器と、一部透過フイルターによっ
て奥行きを測定するものである。その図心はアナログ・
ディバイダーによって計算される。

米国特許４，５５３．８４４号の方法及び装置は光斑ビ
ームを物体上に一方向に走査し、その方向の横断方向に
その光斑像を検出する。

米国特許４，６４５，９１７号の装置は、走査開口フラ
イング・スポット・プロフィラーである。そのセンサー
はホト・マルチプライヤ−又はアバランチェ・ダイオー
ドである。

米国特許４，３４９，２７７号の方法は、光学的三角測
量法に基いた波長ラベリングの視差による方法である。

表面反射及び大きな変化に関係ないように、正規化され
た信号を計算するために、単一の処理過程を含む。

米国特許４，６３４．８７９号の装置は、光学的三角測
量法に基いて、フライング・スポット・カメラ装置の２
本のホト・マルチプライヤ−管によって表面形状を測定
するものである。ノイズ対策として、振幅変調がレーザ
光線に施されている。背景による光学的ノイズの対策と
して、ホト・マルチプライヤ−にフィルター網が用いら
れている。

この他、関連する技術として、米国特許４．０５３，２
３４号、４，０６５，２０１号、４，１６０．５９９号
、４．２０１，４７５号、４，２４９，２４４号、４，
２６９．５１５号、４．４１１，５２８号、４，５２５
．８５８号、４，５６７．３４７号、４．５６９，０７
８号がある。

従って、本発明の目的は、ダイナミック・レンジが広く
、比較的簡易で、低価格の、測定すべき物体と関連する
三次元情報を生じる信号処理回路と、光検出器とによっ
て、高速で高感度を達成することができるように、試料
台上の物体を高速で三次元的に測定する方法及び装置を
改良することである。

また、本発明の目的は、回収データの質を向上する一対
の光学部品によって反射光信号を光学的に処理すること
によって、従来技術の多くの限界を越えた、試料台上の
物体を高速で三次元的に測定する方法及び装置を提供す
ることである。

さらにまた、本発明の目的は、比較的安価で、小型で、
高解像の、測定すべき物体と関連する三次元情報を生じ
、かつ標準のビデオ速度の装置とインターフェースでき
るような、試料台上の物体を高速で三次元的に測定する
方法及び装置を改良することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の第一発明方法は、制御された光線を第−所定角
にて物体の表面に走査し、反射光信号を発生させる過程
と、前記反射光信号を一対の光学部品によって第二角に
て受信する過程と、前記受信した信号を第一光線と基準
光線に光学的に分割する過程と、前記第一光線と前記基
準光線の放射エネルギーを各々測定し、測定値に比例し
た第一及び第二電気信号を形成する過程と、前記第一及
び第二の電気信号を正規化し、所定の範囲内に納める過
程と、前記正規化された電気信号から、前記第一光線の
図心値を計算する過程とから成り、試料台の前記物体を
高速度で三次元測定し、前記物体に関連する立体情報を
形成する高速三次元測定方法である。

本発明の第一発明装置は、制御された光線を第一所定角
にて物体の表面に走査し、反射光信号を発生させる光源
と、前記反射光信号を一対の光学部品によって第二角に
て受信し、前記受信した信号を空間的にフィルターを通
し、滑らかにし、前記受信した信号を第一光線と基準光
線に光学的に分割する一対の光学部品と、前記第一光線
と前記基【表光線の放射エネルギーを各々測定し、測定
値に比例した第一及び第二電気信号を形成する第一及び
第二測定手段と、前記第一及び第二の電気信号を正規化
し、所定の範囲内に納め、前記正規化された電気信号か
ら前記第一光線の図心値を計算する信号処理手段とから
成り、試料台の前記物体に関連する立体情報を形成する
高速三次元測定装置である。

本発明による方法は、前記測定過程の前に、前記第一及
び第二光線を第一及び第二の隣接位置に結像する過程を
含むことが望ましい。

本発明による装置は、前記光源がレーザ・スキャナであ
ることが好ましく、前記一対の光学部品が光学フィルタ
ー及び位置検出用の部品を含むことが好ましく、前記第
一及び第二の測定手段が前記分ｖＩ光綿の放射エネルギ
ーを電流に変換する高感度光検出器を含むことが好まし
い。

〔作　　用〕

このように構成することによって、信号処理回路のダイ
ナミックレンジも広く、回収データの質も向上し、標準
のビデオ速度の装置とインターフェースすることも出来
、かつ高感度で、試料台上の物体を高速で三次元的に測
定することが可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳述する。

第１図に、基本的な三次元測定装置の主要部品を、集合
的に符号１０にて示す。これら集合部品ＩＯは試料台に
配置され、レーザ等の制御光源長・　　び集光レンズ・
アセンブリ１２、スキャナー及び光線変形集光光学系２
２から成る。なお、スキャナー及び光線形成・集光光学
系１４は、全体が符号１８にて示される物体の反射面１
６にレーザビーム１４を連続照射するためのものである
。物体１８は試料台の基卓平面２０上に据えである。

第２図は第１図に関連する図であり、各変数どうしの関
係を示す式を含んだ基本的な三角測量法、即ち構成され
た光を概念的に示す。基本的には、物体１８の高さＺは
照射角θ、及び偏光角θ４によって計算される。なお、
反射された光線は検出器２４の検出要素２８に入射する
。

従来の典型的な複数の検出素子は線形配置された又は配
列されたセンサー、若しくは単一の検出素子の場合は横
断効果のホト・ダイオード又はパイ・セル（二連式〜＼
十ト・ダイオード）から構成することが出来る。二連式
％％ホト・ダイオードは位置感知装置として用いられ、
限られた高さの範囲に渡って微小の高さの変化を測定す
ることが出来る。

上記システムは横断効果ホト・ダイオード（Ｌ　Ｅ　Ｐ
）によってＺ軸を極めて正確に測定することが出来る。

しかし、同ダイオードの内部抵抗は測定装置の主要なノ
イズ源になる程大きいノイズ電流を生じる。（同ダイオ
ードは信号電流の減衰によって高さの検出と、ＬＥＰＯ
図心の計算が可能である。）このノイズ電流は、抵抗に
よるジョンソン電流の他に、大きな暗電流におけるノイ
ズを含む。例えば、市販されている高品質のＬＩＥＰは
シリコン・フォトダイオードよりもケタの太きいノイズ
電流を生ずる。フォト・マルチプライヤ−又はアバラン
チェ検出器に較べて、ＬＥＰは感度が遅いが、ＰＭ管や
ＡＰＤは感度がケタ違いに良好である。ＬＥＰ装置の抵
抗と容量はバンド幅に制限を加えてしまう。奥行を検出
する好適技術は、光の強さの減衰によって光斑の図心を
４き出すことが出来る。又、横断効果ホト・ダイオード
の電気・光関係を導き出すことが出来る。しかし、高感
度の高速検出器も使用することが出来る。

基本的な三角測量法による感度は基準線に対する高さの
比率に依り、急な照射及び測定角によって低下する。感
度は検出素子２８と、検出器２４の焦点レンズ２６の有
効焦点距離との間隔にも依る。検出素子２８とレンズ２
６の間隔を広げると、感度は低下する。

同期走査、テレセンドリンク走査、反対走査（ｄｅｓｃ
ａｎｎｉｎｇ　）等の走査方法は上記の欠点をかなり緩
和する。これらの走査法は大きな角度においても奥行の
測定を高い解像度にて行なうことが出来る。これらの走
査法は変更不要の位置感知及び信号処理装置において使
用し得る。本発明の装置はこれらの走査法によって性能
の向上を計ることが出来る。

第一図において、影及び光吸収、即ち検出器の測定不能
領域は解像度を下げてしまう。半田ヤニ、インク厚、表
面の平板さ等、かなり平らな表面を正確に測定するため
には、３０°の照射角が好ましく、光吸収効果を小さく
する。物体の大きさと形は種々異なるので、例えば回路
基板の様に異なるので、１０°乃至１５６の照射角が好
ましい。

複合的な検出器又は１０°以内の視野の自動同期走査法
を用いれば、検出できない点と問題を解決することが出
来る。

本発明のレーザ１２及びスキャナー２２はフライング・
スポット・スキャナーを画成することが好ましい。レー
ザ１２は変調器１３に結合され、情報を高周波に変換し
て、装置のノイズ特性を改善する。変調器１３は、サイ
ン波、パルスの大きさ、パルスの位置等を含んだ種々の
変調の内、１つの変調を行なうことが出来る。レーザ１
２は固体レーザ・ダイオードであり、かつＴＴＬ信号（
ＴＴＬ変調）でシャッタリングされることが好ましい。

レーザ信号は符号化され、オン及びオフ状態において別
々の信号処理機能を果たすことができる。代表的な出力
レベルは２０　３０ｍＷ（ＩＩＩ−Ｂ級）であり、機械
的測定への応用に適している。

スキャナー２２は、回転多面鏡（Ｘ走査）及び検流計（
Ｘ走査）、又は線形共振スキャナー（Ｘ走査）及び検流
計（Ｘ走査）、又は音響−光素子（Ｘ走査）及び検流計
（Ｘ走査）の内が１つが用いられる。スキャナー２２は
音響−光装置から成ることが好ましい。その理由は動作
部品を有しないことと、再走査時間が高速であるためで
ある。

センサーは、基準線と高さの比が相当大きな従来式の三
角測量式忘却装置に、又、遠中心又は自動同期走査方法
を用いる挟角三角測量装置において使用することが出来
るものである。

広い面積を検査する従来他の方法は線形走査である。こ
の方法では、物体又は投影装置は変換され、検流計（Ｘ
走査）は不要である。

第３図において示すように、光学装置３０は本発明の測
定装置に用いられ、目標からの散乱光を集める対物レン
ズ３１と、その集められた光を中間の結像面に焦点を結
ばせる第２の回折制限レンズ３２とを含む一対の光学部
品から成る。レンズ３１及び３２は周知であるが、それ
ぞれ好ましい共役角にて動作するようにされているレン
ズ３２は種々の拡大・縮小比に合うように交換可能であ
る。

装置３０はマスク３３も含む。マスク３３は中間結像面
に配置された長方径の開口（空間フィルター）を形成し
、装置の好適な瞬間視野の外側の物体からの第２反射に
よって生ずる背景ノイズ（浮遊光）を除去する。マスク
３３は固定開口、又は電気機械シャッターでも可能であ
り、好ましくはソフトウェアにより物理的に制御された
液晶式２値用空間光変調器が好ましい。これは、複合反
射の生ずる近接の高輝度の目標（再流出した半田、配線
接着剤、ループ、ビン状グリッド等）を検査するのに適
する。自動同期スキャナー又は遠中心スキャナー（可動
機械部品材の回転鏡）と共に用いる場合、マスク３３は
細長い小片であり、Ｚ測定に有用な光のみを集光するこ
とが出来る。

空間フィルター又は細長い小片は物体の高さ特徴と相関
する伝達パターン及び選択オペツクのパターンの様にプ
ログラミングすることも出来る。例えば、輝いた背景に
おける輝いたピンの高さを測定するには、ビンの高さに
応じた細長い小片があると、より信頼するものとするこ
とが出来る。複合反射によって、有用な光の反射光によ
る信号の戻りよりも大きい信号の戻りが生ずる。

従来の三角測量的スキャナー（可動部を有せず、面積検
出器を有する固体装置）を用いる場合、マスク３３の口
径３４は特定の高さ範囲の検出に必要なだけの大きさで
あるが、プログラミングは可能である。

良質粒状グラウンド・ガラスの拡散器３５は中間結像仮
に隣接し、比較的単一で広い光斑を生ずる。可変フィル
ター３６の局部変化又は方向性散乱による光斑の測定位
置のズレは、空間的に平均化されるので小さくなる。こ
れは電子装置のロー・パス・フィルターに類似している
。

可変フィルター３６は位置依存型伝搬装置として利用さ
れ、光斑の中心位置を測定し、強度分布の形を細くして
焦点を結ぶのに比較的感度が悪い。

可変フィルター３６は、位置に対し線形である伝ｌ＠機
能を有し、又は線形密度特性（位置に対しての対数的伝
搬）のフィルターとして機能する。

非線形計算法はその範囲を通じて奥行感度の圧縮・拡張
をすることが出来る。特に、フィルター３６は、より高
い物体に関し奥行感度を下げることなく、基準線（最遠
のＺ座標）の付近にて、小さな高さの変化を感知するよ
うに用いられる。フィルター３６の主要な使用目的は、
可変密度装置としてであり、その非線形計算は比較的標
準のフィルターによって行なわれる。一方、もしＺ測定
の際、線形性が重要である場合は、線形伝搬機能を使用
しなければならない。

装置３０は、第２レンズ系３７も含む。第２レンズ系３
７は装置３０を介して像を伝搬（リレー）し、中間像を
縮小・拡大する。筒状レンズ３８は、光斑を光に変換（
開口度の変更）することによって可変フィルターの表面
を全面的にさらに空間的に平均化する。

ビーム・スプリッタ３９は、基準分割光線又は信号と、
フィルター３６に伝搬される別の分割光線を生じる。後
者の分割光線は第１チヤンネル４０のフィルター３６に
、前者の基準分割光線は第２チヤンネル４１へと伝搬さ
れる。第２チヤンネル４１は、データを正規化し、高さ
測定値から輝度の影響を除去するための強度基準のため
に用いられる。

装置３０は、空間反射を生じる前面を金属コーティング
した線形可変フィルターによって基準光線と伝搬光線と
の両方を生じ、単一の光学部品によって位置依存型減衰
及び分割を行なう。

ビーム・スプリッタの伝搬・反射比が正確に知られ、か
つ一定である場合には、位置は、前記２つのチャンネル
にて得られた電圧を単純な割算（比の検出）によって決
定される。即ち、Ｚ＝Ｖ１／Ｖ２である。また、位置はＺ＝Ｖ１／　（Ｖ１＋Ｖ２）　によッテも得られる。

なお、後者の計算の方がより好ましい。

折りたたみ式鏡装置は鏡４２及び４３を有し、検出部４
４の局部面に光線を伝搬する。光検出器４５．４６と、
そのブリ・アンプ４７．４８とは、可能な限り短かく接
続され、高速応用による浮遊容量を最小にし、信号チャ
ンネル間の不整合を避けなければならない。一定偏光プ
リズムは、装置調整の筒易化のため、鏡４２及び４３の
代わりに用いることが出来る。配線の長さは、低レベル
信号がノイズによって破壊されないように、短かくされ
ねばならない。

フィルター３６によって伝搬されるレーザ光信号と、鏡
４３によって反射される光信号は、それぞれ従来の野外
用レンズ４９及び５０によって、アセンブリ４４の一対
の光検出器４５及び４６の所定両立領域に結像される。

アセンブリ４４は光検出器用としてそれぞれブリ・アン
プ４７及び４８を有する。各光検出器は、小容量かつ非
常に大きな分路抵抗値を有する小面積ホト・ダイオード
（３ｍ１１１角以下）、ホト・マルチプライヤ、アバラ
ンチェ・ホト・ダイオード、又は検出素子とブリ・アン
プの結合した強化検出器であることが好ましい。この種
のホト・ダイオードは、１ナノ秒又はそれ以下の立ち上
がり時間に相当する、少な（とも３（１１）ＭＨｚのカ
ットオフ周波数を有することが好ましい。上記結合の強
化検出器の高速・低雑音ブリ・アンプは映像速度にて動
作する。

単一の感知検出器はチャンネル４０又は４１の各々に使
用されるので、アセンブリ４４の感度は非常に高く、Ｌ
ＥＰに比べてノイズが非常に小さい。また、光検出器／
アンプは帯域幅利得が非常に大きいので、信号レベルが
比較的小さく変化するが、大きな信号を得ることが出来
る。

第３図示の装置をわずかに変更することによって、光学
的２室を形成することが出来る。可変フィルター３６を
除去し、光検出器４５及び４６をわずかにずらすことに
よっ、て形成することが出来る。

２室検出器は、狭い範囲のみを感知する場合（基板上の
走査、平面度検出等）に高解像度の測定値を得るのに有
用であり、比較的大きなフィールドの奥行に渡って高解
像を示し且つ光斑の中心位置を直接測定する可変密度フ
ィルター３６の補足的な手段である。

拡散器３５によって得られる空間平均値は、２室法の精
度向上のために一般的に必要である。何故ならば、拡散
、又は幾何学的（角度）偏位によって強度分布が一定で
なくなるためである。

前述の如く、目標の高さを示す信号は比Ｚ＝Ｖ＋　／　
（Ｖ＋　＋Ｖｚ　）によって決定され、強度情報は１＝
Ｖ、＋Ｖ、によって決定される。Ｚを決定するためには
、市販のアナログ・ディバイダーを用いて、速度を映像
フレーム速度に近づい°ζいくように決定する。しかし
、この種の分割器は、精度が高く保持されねばならない
場合、Ｖ、＋Ｖ、の合計（分母）が小さな狭囲（代表値
３：１）に渡り変化する。代表的な結像はこの範囲より
も大きい反射変動を生ずる。例えば、プリント基板部品
と背景は、略、５％乃至１（１１）％の拡散反射変動を
示す、数ケタで大きさの変動するＶ、＋Ｖ２信号を生ず
る。さらに、焼灼反射はより大きな変化を生ずるので、
その結果のＺ値が不正確であることを確認しておく必要
がある。なお、非常に小さな光子制限信号の返還は、は
ぼＯによる割り算となってしまう。

装置を離して設置すると、それに応じて変動も大きくな
るので、ダイナミック・レンジも大きくなる。この場合
、リアル・タイムのレーザ強度変調が必要となる。

前述のように、測定装置のダイナミック・レンジは、数
分の１％から１（１１）％まで変化する拡散反射に追随
できるだけ大きくなければならない（例えば、標準グレ
イ・スケール・テスト・チャート上の黒から白までの全
領域よりも実質上大きくなければならない）。主に広い
範囲深度を惑知しなければならない応用例においては、
装置を拡張して、暗い離れた目標からの弱小な反射光と
、その近くの明るい目標からの強力な反射光を測定する
。このビジョン装置（ロボット操縦）は、回路基板等の
小さな準平面物の検査に必要な値よりも大きなダイナミ
ック・レンジを必要とする。

この装置は変更して、目標上のある点からの、測定され
る強度に依るレーザ出力を増加・減少させるために帰還
によってダイナミック・レンジを広げることが出来る。

しかし、このような装置においては、データ速度の減少
（少な（とも２つの内の１要素）が起き、さらにＺの測
定と全く同じ物体上の物理的な点に相当する反射値が測
定されてしまう。しかし、高速の立ち上がり時間で、Ｉ
Ｗまでの帰還電源出力の高出力レーザ・ダイオードが市
販されているので、帰還回路を実際に組むことは可能で
ある。ＩＷの電源出力によって、装置は、前述の安価な
２０ｍＷレーザ・ダイオードによって測定されるよりも
約５０倍小さい信号を返還するだけで、物体を測定する
ことが出来る。

また、お互いに正確にオフセントされている低ヌは中出
力のデュアル・レーザ・ダイオードは市販されており、
「書き込み後の読み出し」技術を用いる光ディスクの検
査に主に応用されている。多くの応用例において、中出
力のレーザはＳ／Ｎも良好であり、実用されている。大
きな利点は、各手段間のレジを略完全に維持するための
光−機械ハードウェアを追加する必要がないことである
。

低出力レーザ・ダイオードからのデータはバッファリン
グされ、帰還回路７６によって高出力レーザ・ダ・イオ
ードのパルス振幅変調を制限する。

この意味で、帰還回路は将来的に改造能力を有する。前
記変調器１３の代わりに、音響−光変調器が、レーザ光
源の安定性を保つための時変化振幅型レーザ変調の際好
まれ、高速電子−光シヤツターとして機能し得る。

第５図に示すように、信号処理回路５１は可変データを
拡張・圧縮し、適当なＺ値を得ることが出来、また不正
確な高さ情報を表示する特殊な値を発生することも出来
る。

ブリ・アンプ４７及び４８は光検出器４５及び４６の信
号電流１＋、Ｌをそれぞれ相当電圧に変換する。ＶＩ　
＋■２という合計値は合計回路５４によってアナログ信
号に変換され、高速動作の非線形データ変換器５６によ
ってディジタル信号に変換される。データをディジタル
化する目的は、回路５８のアナログ分割器に必要な約３
：１の範囲に入るようにＶ、＋Ｖ２を目盛るために、利
得値（逆機能）を選択する簡易な方法を提供することで
ある。この方法は、ＡＧＣ回路が長い禁制期間の際信号
をしばしば平均化し、装置の帯域幅を狭める利得制御値
を帰還するという点を除いては、ＡＧＣ（自動利得調整
）回路と類似するものである。コンバーター５６の出力
は利得選択論理回路５７に入力され、帰還せずに出力信
号となる。論理回路５７によって選択された利得値は、
利得値を選択して、信号Ｖ、＋Ｖ２を３：１の分ける高
精度ブリ・アンプの連設６０及び６２をプＭｌグラムす
る。

前述のように、レーザ光源の変調は情報を装置のノイズ
特性の良い高周波に変換する。回路５１は第１及び第２
チヤンネル４０及び４１の各々に関しノイズ抑圧回路を
有する。

レーザ源１２がＯＮ状態にある時は、各ノイズ抑圧回路
６４又は６６（第６図示）の第一の反エイリアシング・
フィルター６８は信号変化（高周波ノイズ）をならし、
帯域外ノイズを除去する。

この高周波ノイズは、既知の（被変調）信号に較べて急
激に変化する。オフ状態の場合には、この急激な変化は
第２の反アリエシング・フィルター６８によって除去さ
れる。復調段階はサンプル・ホールド回路７０及び７２
によって低周波ノイズを除去する。低周波ノイズは装置
のクロック速度に較べてゆっくりと変化する。従って、
その平均値はオフ期間中に回路７０によって得られ、基
準電圧を作り出す。基準電圧は、回路７２によって得ら
れるオン電圧値から回路７４により引かれたものであり
、低周波部を除去する。低周波（１／Ｆ。

６０ヘルツ等）ノイズの抑圧はダイナミック・レンジを
大きく保つために重要である。

このノイズ抑圧は、従来の映像装置では不可能であった
各画素に対する黒基串レベルを提供することが出来ると
いう利点を有する。黒をＩＱにすると、信号処理網での
ＤＣオフセットのドリフトをなくすことが出来る。この
結果、信号の忠実度は大幅に改善される。この方法は、
他に自動校正機能も有する。レーザ出力は、光レベルの
遅い項のドリフトが極めて小さいので白を基準にするよ
うに、回路１３によって制御される。黒基準は各画像ご
とに行なわれるので、全体の光範囲は画像単位で校正さ
れる。

この後、回路５１からの信号は増幅されることが好まし
く、そしてＡ／Ｄコンバーター７８に結合される。Ａ／
Ｄコンバーターの代わりに、より大きな検査・比較製品
である従来の映像フレーム・グラバ−にインターフェイ
スすることも出来る。

帰還回路７６及び信号処理回路５１に関して、物体上の
点に対する強度信号ｖＩ　＋■２は、前の範囲外のデー
タ値に対する追加出力８０を含む回路５１の非線形デー
タ・コンバーター５２によって以前と同じに定量化され
る。これらのディジタル値はバッファリングされ、帰還
回路７６内の遅延線を介して、変調器１３を制御するの
に必要なデータを提供し、被変調信号Ｖ、　十Ｖ２をブ
リ・スケーラ６０及び６２、ノイズ抑圧回路６４及び６
６、及びディバイダー５８の範囲内に納める。

非線形データ・コンバーターは拡張して、費用、回路基
板の大きさ、速さの条件、及びレーザーの出力範囲とい
う実用条件の範囲内にて任意に広い範囲に調節すること
が出来る。この結果、三次元データが一定の既知のオフ
セットによって強度データに関して遅延するという点を
除いては、前の（三次元プラス、ダレイスケイル装置）
と同一である。実用すると、強度の変化線と奥行き情報
を得ることが出来る。

上記の方法及び装置は数多くの利点を有する。

例えば、高解像であり、十分な三次元情報を得る映像速
度にて測定を行なうことが出来る。また、この方法及び
装置は安価に正確な映像フレーム速度にて奥行き感知を
行なうことが出来る。

本検出方法は第１図及び２図に示す標準的な三角測量技
術に加えて、その他の三次元結像幾何学にも応用できる
。例えば、研究文献に依れば、影及び吸収は略同軸の照
光ビーム、集光装置、及びＣＣＤ検出アレーを用いる簡
易な方法によって完全に防止することが出来る。本装置
の検出器は、マスクが広く透明なため、必要な光学装置
が不十分なため、低レベルの光に反応することが出来な
いし、速さにも制限される。しかし、一部を改造して、
光学容器の物理的大きさをわずかに大きくするだけで、
本発明は低レベルの光においても高速三次元感知を行な
うことが出来る。

以上、本発明の好適実施例を詳述した。しかし、当業者
の理解できるように、本発明は本特許請求の範囲に記載
されるように、上記実施例に限定されないものとする。

〔発明の効果〕

本発明により、以下のような効果が生ずる。

本発明による方法及び装置は、比較的安価で、映像速度
にて、物体を完全な三次元にて測定することが出来、ま
たダイナミック・レンジの広い高速回路によって低レベ
ルの光の場合にも測定することが出来る。

本測定装置は、範囲と強度データの両方を得ることが出
来るので、検査／検量装置に組み込むことが出来る。ま
た、線走査の場合には、静止した大きな物体をも高解像
度にて検査することが出来る。

本発明は次のように、従来技術の問題点を解決すること
が出来る。

（１）空間的に滑らかな構成なので、光斑／線変換用の
プログラム可能なマスクを含めた位置感知フィルター内
にて、読み込みの誤りを減少することが出来る。

（２）プログラム可能なマスクによって、複合的な１１
に乱光を除去することが出来る。

（３）ダイナミック・レンジの広い帰還型高速信号処理
装置によって、レーザ光源を変調することが出来る。

（４）検出器によって、ノイズ・ショット機能を得るこ
とが出来る。

（５）　　レーザ光源を変調する結果、ノイズ帯域幅を
狭くすることが出来る。

また、帰還回路によって、緩衝される一列の強度データ
を最初に得るので、ダイナミック・レンジを広げること
が出来、また後続の列のレーザー光を振幅変調すること
が出来る。

正確にズラした２つのレーザ・ダイオードによって、空
間レジを維持することが出来る。

ＴＴＬ変調によって、オン・オフ期間ごとに別々の信号
処理動作を行なうことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は基本的な三角測量法、即ち光線の構成概念を示
す概略図であり、第２図は第１図の各変数の関係を示す
２つの数式表示図であり、第３図は本発明方法及び装置
に用いる一式の光学部品・検出部・信号処理回路を示す
概略図であり、第４図は本発明方法及び装置を示す信号
処理のブロック図であり、第５図は第３図の信号処理回
路のより詳細な概略図であり、第６図は第５図のノイズ
抑圧回路の詳細なブロック図である。１０・・・・・・高速三次元測定装置、１２・・・・・
・レーザ及び集光レンズ・アセンブリ、１８・・・・・
・被測定物体、２０・・・・・・試料台（基卓平面）、２２・・・・・
・スキャナー及び光線形成・集光光学系、２６・・・・
・・焦点レンズ、２８・・・・・・検出素子、３３・・・・・・マスク、３６・・・・・・可変フィルター、３９・・・・・・ビーム・スプリッター（光線分割器）
、４２．４３・・・・・・鏡、５４・・・・・・合計回路（サミング回路）、５８・・
・・・・ディバイダー、７０．７２・・・・・・サンプル・ホールド回路。図面の浄書（内容に変更なし）〜、！

Claims

【特許請求の範囲】

（１）制御された光線を第一所定角にて物体の表面に走
査し、反射光信号を発生させる過程と、前記反射光信号
を一対の光学部品によって第二角にて受信する過程と、前記受信した信号を空間的にフィルターを通し、滑らか
にする過程と、前記受信した信号を第一光線と基準光線に光学的に分割
する過程と、前記第一光線と前記基準光線の放射エネルギーを各々測
定し、測定値に比例した第一及び第二電気信号を形成す
る過程と、前記第一及び第二の電気信号を正規化し、所定の範囲内
に納める過程と、前記正規化された電気信号から、前記第一光線の図心値
を計算する過程とから成り、試料台の前記物体を高速度
で三次元測定し、前記物体に関連する立体情報を形成す
る高速三次元測定方法。
（２）制御された光線を第一所定角にて物体の表面に走
査し、反射光信号を発生させる過程と、前記反射光信号
を一対の光学部品によって第二角にて受信する過程と、前記受信した信号を空間的にフィルターを通し、滑らか
にする過程と、前記受信した信号を第一光線と第二光線に光学的に分割
する過程と、前記第一光線の一部を前記第二角にて伝搬する過程と、前記第一光線の前記伝搬部と前記第二光線の反射エネル
ギーを各々測定し、測定値に比例した第一及び第二の電
気信号を形成する過程と、前記第一及び第二の電気信号
を正規化し、所定の範囲内に納める過程と、前記正規化された電気信号から、前記第一光線の図心値
を計算する過程とから成り、試料台の前記物体を高速度
で三次元測定し、前記物体に関連する立体情報を形成す
る高速三次元測定方法。
（３）前記正規化過程が第一及び第二信号を合計し、所
定範囲内に入るような正規化信号を形成する過程を含み
、かつ前記図心を前記正規化合計から計算する特許請求
の範囲第１項及び第２項記載の方法。
（４）前記第一及び第二電気信号がアナログ形式であり
、かつ前記正規化過程が第一及び第二電気信号をディジ
タル化し、所定範囲内に納める過程を含む特許請求の範
囲第１項及び第２項記載の方法。
（５）前記制御された光を変調し、前記制御された光の
周波数を所定周波数帯域に変更する過程と、前記第一及
び第二の電気信号を復調する過程を含む特許請求の範囲
第４項記載の方法。
（６）前記復調過程が、前記所定周波数帯域を有する伝
搬帯域のフィルターによって前記第一及び第二電気信号
からノイズを除去する過程を含む特許請求の範囲第５項
記載の方法。
（７）前記空間的にフィルターを通し、滑らかにする工
程が、前記観測点の前記物体の高さと相関するプログラ
ム可能なマスクを利用する特許請求の範囲第１項及び第
２項記載の方法。
（８）前記空間的にフィルターを通し、滑らかにする工
程が、前記受信光信号から光斑を形する工程と、前記光
斑を１本の線状光に変換する過程を含む特許請求の範囲
第７項記載の方法。
（９）前記空間的にフィルターを通し、滑らかにする工
程が、前記一対の光学部品の空間フィルターを利用する
特許請求の範囲第８項記載の方法。
（１０）前記測定過程の前に、前記第一及び第二の分割
光線を前記所定の隣接位置に結像させる工程を含む特許
請求の範囲第１項及び第２項に記載の方法。
（１１）制御され変調された光線を第一所定角にて物体
の表面に走査し、反射光信号を発生させる過程と、前記反射光信号を一対の光学部品によって第二角にて受
信する過程と、前記受信した信号を前記一対の光学部品によって空間的
にフィルターを通し、滑らかにする過程と、前記受信した信号を第一光線と基準光線に光学的に分割
する過程と、前記第一光線と前記基準光線の放射エネルギーを各々測
定し、測定値に比例した第一及び第二電気信号を形成す
る過程と、前記第一及び第二の電気信号を正規化及び縮尺し、所定
の範囲内に納める過程と、前記縮尺された第一及び第二の電気信号を復調する過程
と、前記復調された信号から、前記第一光線の図心値を計算
する過程とから成り、試料台の前記物体を高速度で三次
元測定し、前記物体に関連する立体情報を形成する高速
三次元測定方法。
（１２）（ａ）制御された光線を第一所定角にて物体の
表面に走査し、反射光信号を発生させる過程と、（ｂ）
前記反射信号を一対の光学部品によって第二角にて受信
する過程と、（ｃ）前記受信した光信号を前記一対の光学部品によっ
て空間的にフィルターを通し、滑らかにする過程と、（ｄ）前記受信した信号を第一光線と基準光線に光学的
に分割する過程と、（ｅ）前記第一光線と前記基準光線の放射エネルギーを
各々測定し、測定値に比例した第一及び第二電気信号を
形成する過程と、前記一対の電気信号によって帰還信号を発生する過程と
、前記帰還信号を利用し、前記制御された光の光源の変調
を制御する過程と、前記制御された光を前記過程（ａ）乃至（ｅ）において
利用する過程と、前記第二の一対の電気信号を正規化及び縮尺し、所定の
範囲内に納める過程と、前記復調信号から、前記第二の一対の電気信号の第一分
割光線の図心値を計算する工程とから成り、試料台の前
記物体を高速度で三次元測定し、前記物体に関連する立
体情報を形成する高速三次元測定方法。
（１３）制御された光線を第一所定角にて物体の表面に
走査し、反射光信号を発生させる光源と、前記反射光信
号を第二角にて受信し、前記受信した信号を空間的にフ
ィルターを通し、滑らかにし、前記受信した信号を第一
光線と基準光線に光学的に分割する一対の光学部品と、前記第一光線と前記基準光線の放射エネルギーを各々測
定し、測定値に比例した第一及び第二電気信号を形成す
る第一及び第二測定手段と、前記第一及び第二の電気信
号を正規化し、所定の範囲内に納め、前記正規化された
電気信号から前記第一光線の図心値を計算する信号処理
手段とから成り、試料台の前記物体を高速度で三次元測
定し、前記物体に関連する立体情報を形成する高速三次
元測定装置。
（１４）制御された光線を第一所定角にて物体の表面に
走査し、反射光信号を発生させる光源と、前記反射光信
号を第二角にて受信し、前記受信した信号を空間的にフ
ィルターを通し、滑らかにし、前記受信した信号を第一
光線と第二光線に光学的に分割し、伝搬手段によって前
記第一光線の一部を前記第二角にて伝搬する一対の光学
部品と、前記第一光線の前記伝搬部と前記第二光線の放射エネル
ギーを各々測定し、測定値に比例した第一及び第二の電
気信号を形成する第一及び第二の測定手段と、前記第一及び第二の電気信号を正規化し、所定の範囲内
に納め、前記正規化された電気信号から前記第一光線の
図心値を計算する信号処理手段とから成り、試料台の前
記物体を高速度で三次元測定し、前記物体に関連する立
体情報を形成する高速三次元測定装置。
（１５）前記信号処理手段が、第一及び第二信号を合計
し、所定範囲内に入るような正規化信号を形成する合計
回路を含み、かつ前記図心を前記正規化合計から計算す
る特許請求の範囲第１３項及び第１４項記載の装置。
（１６）前記第一及び第二電気信号がアナログ形式であ
り、かつ前記信号処理手段が第一及び第二電気信号をデ
ィジタル化する発生手段を有する特許請求の範囲第１３
項及び第１４項記載の装置。
（１７）前記信号処理手段が、前記発生手段に結合し、
かつ前記ディジタル信号を利用し、前記第一及び第二電
気信号を所定範囲内に納める縮尺手段を含む特許請求の
範囲第１６項記載の装置。
（１８）前記縮尺手段が、前記ディジタル信号に応じて
前記第一及び第二の電気信号を選択的に増幅する一対の
プログラム可能な増幅器を含む特許請求の範囲第１７項
記載の装置。
（１９）前記制御された光を変調し、前記制御された光
の周波数を所定周波数帯域に変更する変調手段を含み、
かつ前記信号処理手段が第一及び第二のディジタル信号
を復調する復調器を含む特許請求の範囲第１８項記載の
装置。
（２０）前記復調器が、前記第一及び第二電気信号手段
からノイズを除去し、前記所定周波数帯域を有する伝搬
帯域のフィルターを含む特許請求の範囲第１９項記載の
装置。
（２１）前記一対の光学部品が、前記観測点の前記物体
の高さと相関するプログラム可能なマスクを有する、前
記受光信号を前記空間的にフィルターを通し、滑らかに
する手段を含む特許請求の範囲第１３項記載の装置。
（２２）前記一対の光学部品が、前記受信光信号から光
斑を形成する拡散器と、前記光斑を１本の線状光に変換
する光斑−光線変換器とを含んだ、前記受光信号を前記
空間的にフィルターを通し、滑らかにする手段を含む特
許請求の範囲第１３項記載の装置。
（２３）前記空間的にフィルターを通し、滑らかにする
手段が、前記一対の光学部品の空間フィルターを含む特
許請求の範囲第２２項記載の装置。
（２４）前記一対の光学部品が、前記第一及び第二の分
割光線を前記所定の隣接位置に結像させる結像手段を含
む特許請求の範囲第１３項及び第１４項記載の装置。
（２５）前記第一及び第二測定手段が、前記放射エネル
ギーを電流に変換する単一の光検出器を含む特許請求の
範囲第１３項及び第１４項記載の装置。
（２６）前記各光検出器が半導体装置である特許請求の
範囲第２５項記載の装置。
（２７）前記一対の光学部品が、前記受光信号を第一及
び第二の分割光線に光学的に分割する分割手段を含む特
許請求の範囲第１３項及び第１４項記載の装置。
（２８）前記光源がレーザ・スキャナーである特許請求
の範囲第１３項及び第１４項記載の装置。
（２９）前記レーザ・スキャナがフライング・スポット
・レーザ・スキャナである特許請求の範囲第２８項記載
の装置。
（３０）制御され変調された光線を第一所定角にて物体
の表面に走査し、反射光信号を発生させる光源と、前記受信した信号を空間的にフィルターを通し滑らかに
する手段と、前記受信した信号を第一光線と基準光線に
光学的に分割する分割手段とを含み、前記反射光信号を
第二角にて受信する一対の光学部品と、前記第一光線と前記基準光線の放射エネルギーを各々測
定し、測定値に比例した第一及び第二電気信号を形成す
る第一及び第二測定手段と、前記第一及び第二の電気信
号を縮尺し所定の範囲内に納める縮尺手段と、前記第一
及び第二の電気信号を復調しノイズを減少させる復調器
とを含み、前記復調された信号から前記第一光線の図心
値を計算し、前記第一及び第二電気信号を正規化する信
号処理手段とから成り、試料台の前記物体を高速度で三
次元測定し、前記物体に関連する立体情報を形成する高
速三次元測定装置。
（３１）制御され変調された第一及び第二光線を第一所
定角にて連続走査し、反射光信号を発生させる第１及び
第２光源を含む光源と、前記反射信号を第二角にて受信し、前記受信した信号を
空間的にフィルターを通し、滑らかにする手段と、前記
受信した信号を一対の第一光線と一対の基準光線に光学
的に分割する分割手段とを含む一対の光学部品と、前記一対の第一光線と前記一対の基準光線の放射エネル
ギーを各々測定し、測定値に比例した一対の第一及び一
対の第二の電気信号を形成する第一及び第二測定手段と
、前記一対の第一電気信号によって帰還信号を発生し、第
２光源の変調を制御し、ノイズ抑圧を改善し、ダイナミ
ック・レンジを広げる帰還手段と、前記一対の第一及び前記一対の第二の電気信号を縮尺し
所定の範囲内に納める縮尺手段と、前記一対の第一及び
前記一対の第二電気信号を復調しノイズを減少させる復
調器とを含み、前記復調された信号から前記第一信号に
対する前記一対の第二電気信号の図心値を計算し、前記
第一及び第二電気信号を正規化する信号処理手段とから
成り、試料台の前記物体を高速度で三次元測定し、前記
物体に関連する立体情報を形成する高速三次元測定装置
。