(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が異なるレーザ光を発光する複数のレーザと、前記複数のレーザ光を複数の細いレーザビームに集光整形し、その複数の細いレーザビームを計測対象物上におけるレーザビームの走査方向と直角方向に等間隔に配列する配列集光光学系と、前記配列集光光学系からの前記複数のレーザビームを前記計測対象物上で複数行同時走査させる走査光学系と、前記複数のレーザビームの前記計測対象物からの乱反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系からの複数の集光を複数方向に分光し波長フイルターを通して前記各波長毎の集光に分光する分光光学系と、前記の各波長に分光された各集光をそれぞれ別個に受光する複数の半導体位置検出素子と、前記半導体位置検出素子からのデータを演算して高さ画像データを求める演算回路と、前記演算回路からの高さ画像データを記憶する画像メモリとを有することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の３次元計測装置において、演算回路と画像メモリとの間に、前記演算回路が複数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えるバッファメモリを設けることを特徴とする３次元計測装置。
【請求項３】
配列集光光学系は複数のレーザ光を平行に等間隔に配列する複数のハーフミラーと細いレーザビームに集光整形する集光整形レンズとからなり、走査光学系はポリゴンミラーとＦ−θレンズとからなる請求項１または２記載の３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット・ＦＡ機器等における画像認識による３次元計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボット・ＦＡ機器等における画像認識による３次元計測装置の従来例を図５〜図９に基づいて説明する。
【０００３】
従来例の側面図である図５と正面図である図６とにおいて、１ａはレーザ光を発光する半導体レーザ、３はレーザ光を細いビームに集光整形する集光整形レンズ、４はレーザビームを反射するミラー、５はミラー面に当たったレーザビームを回転によって角θ振らせるポリゴンミラー、６、６、６はポリゴンミラー５で角θ振られているレーザビームを光軸に平行に光路変更させ後述の計測対象物７に垂直に投射して走査するレンズ群からなるＦ−θレンズ、７は計測対象物、８ａ、８ｂは計測対象物７に当たって乱反射するレーザビームを後述の半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａ、９ｂ上の１点に結像させる結像レンズである。
【０００４】
図５において、上記に合わせて計測対象物７を矢印の方向に移動させると、図８に示すように、レーザビームが計測対象物７上を所定の計測分解能に合わせた間隔で走査する。
【０００５】
前記の半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａ、９ｂによる計測対象物７上の高さの測定方法を図９に基づいて説明する。
【０００６】
図９において、Ｆ−θレンズ６から紙面に垂直方向に走査して計測対象物７上に投射されるレーザビームが計測対象物７から乱反射する。この場合、投射された点が計測対象物７上の高さ０のＡ1 点と高さＨのＢ1 点とであるとすると、乱反射したレーザ光は結像レンズ８ａによって集光され、夫々が半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａ上のＡ2 点とＢ2 点とに結像する。その結果、Ａ2 点とＢ2 点とに起電力が発生し、夫々Ｃ点から電流Ｉ1 、Ｉ2 、Ｄ点から電流Ｉ3 、Ｉ4 が取出される。電流Ｉ1 、Ｉ3 はＡ2 Ｃ間の距離（ｘA ）とＡ2 Ｄ間の距離とに比例する抵抗によって決まり、電流Ｉ2 、Ｉ4 はＢ2 Ｃ間の距離（ｘB ）とＢ2 Ｄ間の距離とに比例する抵抗によって決まるので、ＰＳＤ９ａの長さをＬとすると、図のｘA 、ｘB は次式のようにして決まる。
【０００７】
ｘA ＝ＬＩ3 ／（Ｉ1 ＋Ｉ3 ）
ｘB ＝ＬＩ4 ／（Ｉ2 ＋Ｉ4 ）
従って、図のＨ’は次式で決まり、これに基いて前記高さＨが決定される。
【０００８】
Ｈ’＝ｘA −ｘB 
次に、従来例の動作を回路構成を示す図７に基づいて説明する。
【０００９】
図７において、９ａはＰＳＤ、２１ａと２１ｂとは図９のＩ1 （Ｉ2 ）とＩ3 （Ｉ4 ）を電圧に変換する電流・電圧変換回路、２２ａと２２ｂとは図９のＩ1 Ｉ2 ）とＩ3 （Ｉ4 ）が変換された電圧を増幅する増幅回路、２３ａと２３ｂとは増幅された電圧のアナログ−ディジタル変換回路、２４はディジタル信号を処理して高さを演算するディジタル信号処理回路（ＤＳＰ）である。以下、これらの回路全体をＰＳＤ−ＤＳＰ回路と呼ぶことにする。
【００１０】
図７のＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ａと３０ｂは、図５に示すＰＳＤ９ａと９ｂとに対応するものであり、図５に示すように、計測対象物７の左右にあって、その方向に乱反射してきたレーザ光から、図９のｘA とｘB とを求める。
【００１１】
３１は、ＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ａ、３０ｂと、後述の選択・平均処理回路３２の動作に対するクロック発生回路である。
【００１２】
３２は、求められた図９のｘA とｘB とから異常値を取り除き平均値を求めて妥当な値の高さＨを得るために、前記クロック発生回路３１のクロックに基づいて、ＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ａ、３０ｂのデータから異常なデータを除いて正常なデータのみを選択し、ＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ａ、３０ｂからのデータの平均値を求める選択・平均処理回路である。
【００１３】
３３は、前記クロック発生回路３１のクロックに基づいてタイミング信号を発生するタイミング発生回路である。
【００１４】
３４は、前記選択・平均処理回路３２からのデータを、前記タイミング信号に基づいて記憶する画像メモリであり、このメモリから３次元計測処理を行う。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例の３次元計測装置を電子部品実装機に取り付けて電子部品の実装状態を計測・検査する場合、現在の電子回路技術で可能な限界の高速処理を行っても、１個の電子部品の計測・検査のタクトが０．５〜１．０秒になり、これは電子部品実装機自身の実装タクトより長く、電子部品実装装置全体の実装タクトが３次元計測装置の計測・検査タクトによって制限されるという問題がある。
【００１６】
従来例の３次元計測装置の計測・検査タクトが長い理由は、ＰＳＤ自身の応答速度に限界があること、ＰＳＤからの電流が微小電流であるので電流−電圧変換に際してノイズの除去等のために時間がかかること、１２桁程度のビット長のアナログ−ディジタル変換の高速化が困難なこと等であり、これらの高速化は当面実現困難である。
【００１７】
本発明は、ＰＳＤ自身の応答速度、微小電流の電流−電圧変換、アナログ−ディジタル変換等の速度は従来のままで、３次元計測のタクトを早くする３次元計測装置の提供を課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明の３次元計測装置は、上記の課題を解決するために、波長が異なるレーザ光を発光する複数のレーザと、前記複数のレーザ光を複数の細いレーザビームに集光整形し、その複数の細いレーザビームを計測対象物上におけるレーザビームの走査方向と直角方向に等間隔に配列する配列集光光学系と、前記配列集光光学系からの前記複数のレーザビームを前記計測対象物上で複数行同時走査させる走査光学系と、前記複数のレーザビームの前記計測対象物からの乱反射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系からの複数の集光を複数方向に分光し波長フイルターを通して前記各波長毎の集光に分光する分光光学系と、前記の各波長に分光された各集光をそれぞれ別個に受光する複数の半導体位置検出素子と、前記半導体位置検出素子からのデータを演算して高さ画像データを求める演算回路と、前記演算回路からの高さ画像データを記憶する画像メモリとを有することを特徴とする。
【００１９】
従って、本願第１発明は、平行・等間隔の複数のレーザビームで計測対象物上を復数行同時走査することにより、計測・検査のタクトが同時走査行数に反比例して短くなるので、電子部品実装機に取り付けた場合、従来例における３次元計測装置の計測・検査のタクトが電子部品実装機の実装タクトを制限するという問題が解消し、電子部品実装機の実力をそのまま発揮できるようになる。
【００２０】
本願第２発明の３次元計測装置は、上記の課題を解決するために、本願第１発明の３次元計測装置において、演算回路と画像メモリとの間に、前記演算回路が復数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えるバッファメモリを設けることを特徴とする。
【００２１】
従って、本願第２発明は、復数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えることにより、復数行同時走査データの処理が非常に簡単・容易になる。
【００２２】
又、本願第１、第２発明は、配列集光光学系を複数のレーザ光を平行に等間隔に配列する複数のハーフミラーと細いレーザビームに集光整形する集光整形レンズとで構成し、走査光学系をポリゴンミラーとＦ−θレンズとで構成することにより、構造が簡単になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の３次元計測装置の一実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００２４】
本実施の形態の側面図である図１と本実施の形態の正面図である図２とにおいて、１ａ、１ｂ、１ｃは、夫々の波長が異なるレーザ光１２ａ、１２ｂ、１２ｃを発光する半導体レーザであり、これらのレーザ光が所定の計測分解能に等しい間隔の平行ビームを形成する位置に前記半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃが配置されている。
【００２５】
２ａ、２ｂはハーフミラーであり、ハーフミラー２ａはレーザ光１２ａを透過させレーザ光１２ｂを反射させ、ハーフミラー２ｂはレーザ光１２ａと１２ｂとを透過させレーザ光１２ｃを反射させて、レーザ光１２ａと１２ｂと１２ｃとの向きを同一方向に揃え、所定間隔の平行光線として、集光整形レンズ３に投射する。
【００２６】
集光整形レンズ３は、上記の所定間隔で平行なレーザ光１２ａと１２ｂと１２ｃとを細いレーザビームに整形する。
【００２７】
ミラー４は、上記の所定間隔で平行な細いレーザビーム１２ａと１２ｂと１２ｃとを反射してポリゴンミラー５に投射する。
【００２８】
ポリゴンミラー５は、ミラー面に当たったレーザビームを回転によって角θ振らせるものであり、上記の所定間隔で平行な細いレーザビーム１２ａと１２ｂと１２ｃとを、図１では紙面に垂直に図２では紙面に平行に角θ振って走査する。
【００２９】
Ｆ−θレンズ６、６、６はポリゴンミラー５で角θ振られているレーザビームを光軸に平行になるように光路変更させ後述の計測対象物７に垂直に投射し走査するレンズ群からなる。
【００３０】
計測対象物７を矢印の方向に移動させることにより、上記の所定間隔で平行な細いレーザビーム１２ａと１２ｂと１２ｃとが、３本並んで計測対象物７上に垂直に投射されながら走査し、計測対象物７の表面から乱反射する。
【００３１】
結像レンズ８ａ、８ｂが、図１に示すように、計測対象物７の左右に設置されて、計測対象物７の表面に所定間隔で平行に投射され走査されて乱反射したレーザビーム１２ａと１２ｂと１２ｃとの乱反射光線を、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａ〜９ｆ上に結像させる。
【００３２】
結像レンズ８ａと半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａ〜９ｃとの間には、結像レンズ８ａを通過した所定間隔のレーザビーム１２ａと１２ｂと１２ｃとを半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａと９ｂと９ｃとに分けて投射するハーフミラー１０ａと１０ｂとがあり、結像レンズ８ｂと半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ｄ〜９ｆとの間には、結像レンズ８ｂを通過した所定間隔のレーザビーム１２ａと１２ｂと１２ｃとを半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ｄと９ｅと９ｆとに分けて投射するハーフミラー１０ｃと１０ｄとがある。
【００３３】
レーザ光１２ａの波長を透過させるフイルター１１ａと１１ｄとが、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａと９ｄとの前に設置され、レーザ光１２ｂの波長を透過させるフイルター１１ｂと１１ｅとが、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ｂと９ｅとの前に設置され、レーザ光１２ｃの波長を透過させるフイルター１１ｃと１１ｆとが、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ｃと９ｆとの前に設置される。
【００３４】
図１において、上記に合わせて計測対象物７を矢印の方向に移動させると、図４に示すように、３本のレーザビームが計測対象物７を所定の計測分解能に合わせた間隔で平行に同時走査する。
【００３５】
次に、本実施の形態の動作を回路構成を示す図３に基づいて説明する。
【００３６】
本実施の形態は、図４に示すように３本のレーザビームが計測対象物７を所定の計測分解能に合わせた間隔で平行に同時走査しているので、図３に示すように、図７に示す従来例の回路構成を３系統並列に有している。これにより、本実施の形態の３次元計測装置はコスト高になるが、計測・検査のタクトが１／３に短くなるので、電子部品実装機に取り付けた場合、従来例における３次元計測装置の計測・検査のタクトが電子部品実装機の実装タクトを制限するという問題が解消し、電子部品実装機の実力をそのまま発揮できるようになる。
【００３７】
又、本実施の形態は、図３に示すように、並列に並べられた３系統の選択・平均処理回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃからのデータを高さ画像データとして画像メモリ３５に取り込む際に、バッファメモリ３４ａ、３４ｂ、３４ｃを使用して時分割し並べ替えて連続した１系統の高さ画像データとして画像メモリ３５に取り込んでいる。以下に詳細に説明する。
【００３８】
図３において、ＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ａと３０ｂ、ＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ｃと３０ｄ、ＰＳＤ−ＤＳＰ回路３０ｅと３０ｆが、図１の半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａと９ｄ、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ｂと９ｅ、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ｃと９ｆに対応している。そして、図１に示すように、計測対象物７から乱反射したレーザ光を左右対称に処理するのは、光学的な死角を無くする効果があり、左右２系統で得られるデータから異常値を取り除いて平均値を求めれば、適性な値の高さＨを得ることができるからである。
【００３９】
図３において、バッファメモリ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ以外は従来例と同じなので説明を省略し、以下に、バッファメモリ３４ａ、３４ｂ、３４ｃについて説明する。
【００４０】
本実施の形態の３次元計測装置では、図３に示すように、クロック発信回路３１からのクロックに基づいて各部分は同期しており、このクロックを基にしてタイミング発生回路３３がタイミング信号を発生し各部分はこのタイミング信号に合わされて動作する。
【００４１】
本実施の形態では、図１において、計測対象物７が矢印の方向に従来例の３倍の速さで移動し、図４において、レーザ１ｂからのレーザビームの軌跡は、計測対象物７の上で、３ｍ行から３（ｍ＋１）行に飛んでいる。この飛びがあると、選択・平均処理回路３２ａからのデータを画像メモリ３５に取り込んで処理することが非常に面倒になる。この解決方法として、本実施の形態では、図３に示すように、選択・平均処理回路３２ａ、３２ｂ、３２ｃの次に、バッファメモリ３４ａ、３４ｂ、３４ｃを置いている。
【００４２】
本実施の形態では、計測対象物７上での走査は、レーザ１ｂからのレーザビーム、レーザ１ａからのレーザビーム、レーザ１ｃからのレーザビームの順に繰り返し並んでいる。従って、バッファメモリ３４ｂ、３４ａ、３４ｃにより夫々に合った遅延時間を与え、前記の３系統の並列出力を時分割して並べ替えると、前記の３系統の出力を直列に並べ替えることができる。
【００４３】
上記によると、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）９ａ〜９ｆの出力は現在では実力的に１０ＭＨｚ程度が最高であるが、３系統のデータを直列に並べると、１系統で３０ＭＨｚの出力の半導体位置検出素子を使用するのと同じ結果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
本願第１発明は、平行・等間隔の複数のレーザビームで計測対象物上を復数行同時走査することにより、計測・検査のタクトが同時走査行数に反比例して短くなり、電子部品実装機に取り付けた場合、従来例における３次元計測装置の計測・検査のタクトが電子部品実装機の実装タクトを制限するという問題を解消することができ、電子部品実装機の実力をそのまま発揮できるようになるという効果が得られる。
【００４５】
本願第２発明の３次元計測装置は、復数行同時走査データから演算した高さ画像データを一時記憶して時分割し走査行配列順に並べ替えることにより、復数行同時走査データの処理が非常に簡単・容易になるという効果が得られる。
【００４６】
又、本願第１、第２発明は、配列集光光学系を複数のレーザ光を平行に等間隔に配列する複数のハーフミラーと細いレーザビームに集光整形する集光整形レンズとで構成し、走査光学系をポリゴンミラーとＦ−θレンズとで構成することにより、構造が簡単になるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成を示す側面図である。
【図２】本発明の一実施の形態の構成を示す正面図である。
【図３】本発明の一実施の形態の回路構成図である。
【図４】本発明の一実施の形態のレーザビームの走査の軌跡を示す図である。
【図５】従来例の構成を示す側面図である。
【図６】従来例の構成を示す正面図である。
【図７】従来例の回路構成図である。
【図８】従来例のレーザビームの走査の軌跡を示す図である。
【図９】半導体位置検出素子（ＰＳＤ）の動作を示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ  半導体レーザ
２ａ、２ｂ  ハーフミラー
３  集光整形レンズ
４  ミラー
５  ポリゴンミラー
６  Ｆ−θレンズ
７  計測対象物
８ａ、８ｂ  集光レンズ
９ａ〜９ｆ  半導体位置検出素子（ＰＳＤ）
１０ａ〜１０ｄ  ハーフミラー
１１ａ〜１１ｆ  フイルター
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  レーザ光
２１ａ、２１ｂ  電流−電圧変換回路
２２ａ、２２ｂ  増幅回路
２３ａ、２３ｂ  アナログ−ディジタル変換回路
３０ａ〜３０ｆ  ＰＳＤ−ＤＳＰ
３１  クロック発生回路
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ  選択・平均処理回路
３３  タイミング発生回路
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ  バッファメモリ
３５  画像メモリ
【図１】
0003779399.tif 000002
【図２】
0003779399.tif 000003
【図３】
0003779399.tif 000004
【図４】
0003779399.tif 000005
【図５】
0003779399.tif 000006
【図６】
0003779399.tif 000007
【図７】
0003779399.tif 000008
【図８】
0003779399.tif 000009
【図９】
0003779399.tif 000010