KR100855849B1

KR100855849B1 - 변위측정장치 및 그것을 이용한 형상검사장치

Info

Publication number: KR100855849B1
Application number: KR1020060091666A
Authority: KR
Inventors: 아쓰로 다누마; 마사유키 나카지마
Original assignee: 안리츠 코포레이션
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-09-01
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP4275661B2; TW200712437A; CN1940469A; CN100498217C; JP2007093369A; TWI288226B; KR20070035964A

Abstract

피측정물 상의 측정점의 형상에 따라서 다른 각도로 정반사하는 빛을 검출할 수 있는 복안기능을 구비한 광센서에 의해, 정점이나 평탄한 면뿐만 아니라 경사면의 변위를 측정하는 기술을 제공한다.

투광부(100)에 의해, 빛을 피측정물 상의 측정점에 집광시키고, 그 측정점으로부터 정반사하는 반사광을 수광하기 위한 복수의 수광부(200,210,220)를 구비하고, 그 복수의 수광부는, 투광되는 빛을 포함하여 피측정물에 거의 수직인 평면과 교차하는 방향으로 측정점을 축으로 하여 거의 부채형상으로 배열되고, 또한 각 수광부의 수광면이 차지하는 측정점으로부터 수광 할 수 있는 수광범위가, 서로 이웃하는 수광부의 수광면끼리 연속하도록 배치하는 구성으로 한다.

변위측정, 복안기능, 형상검사

Description

변위측정장치 및 그것을 이용한 형상검사장치{POSITION VARIATION MEASURING APPARATUS AND FIGURE INSPECTING APPARATUS USING THE SAME}

도 1에 관한 광변위센서의 실시형태를 설명하기 위한 모식적인 구성도이다.

도 2는 도 1의 구성을 대략 화살표 A에서 본 모식적인 도이다.

도 3은 수광소자인 PSD 및 수광렌즈(기능소자)를 포함하는 수광부를 설명하기 위한 도이고, 복수의 수광부를 동일구성으로 한 경우를 설명하기 위한 도이다.

도 4는 복수의 수광부의 수광렌즈 기능소자를 바꾼 경우의 예를 설명하기 위한 도이다.

도 5는 복수의 수광부에 있어서의 수광렌즈 기능소자 및 수광소자인 PSD가 다른 경우의 예를 설명하기 위한 도이다.

도 6은 본 발명의 변위측정장치에 관한 실시형태의 기능구성을 나타내는 도이다.

도 7은 도 6의 실시형태를 이용한 형상검사장치의 실시형태의 기능 구성을 나타내는 도이다.

도 8은 변위측정결과의 예를 나타내는 도이다.

도 9는 수광렌즈의 수광범위의 연속성을 설명하기 위한 도이다.

도 10은 2개의 광변위센서를 구비한 구성예를 나타내는 도이다.

도 11은 카메라의 위치를 설명하기 위한 도이다.

도 12는 선행기술을 설명하기 위한 도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 콜리미터 렌즈 2 : 집광렌즈

3 : 수광렌즈(기능소자) 4, 4a, 4b : 광변위센서

5 : 주사기구 6 : 제어부

7, 8 : 가산기 9 : 연산기

10 : 화상처리부 11 : 비교수단

12 : 판정수단 13 : 표시수단

LD : 광원 PSD : 수광소자

100 : 투광부 200, 210, 220 : 수광부

300 : 변위측정부 400 : 검사부

500 : 카메라 600 : 시일재

본 발명은 피측정물에 빛을 쬐어 주사하면서 그 반사광을 받는 것에 의해, 피측정물의 표면의 변위를 삼각측량하는 변위측정장치 및 그것을 이용한 형상검사 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 주사방향으로 경사지는 피측정물의 표면의 변위를 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.

종래, 삼각측량에 의해 변위측정하는 장치로서, 특허문헌 1의 종래 기술에 나타낸 것이 있다. 이러한 종래기술에 의해 변위측정을 행하면, 피측정물의 표면의 경사를 잘 측정할 수 없는 문제가 있었다. 예를 들면, 도 12(A)에 도시된 바와 같이, 피측정물의 시일재의 표면형상을 측정하려고 하면, 주사위치가 m점(대략 정상부근의 평면의 점)에서 주사광을 입력했을 때 정반사하는 반사광을 측정하여 변위를 측정하고, 그대로 위치 n점(기울어진 면의 점)으로 옮겨서 m점에서의 측정과 같은 각도의 주사광을 입력하여 측정하려고 하면, n점에서 정반사하는 반사광이 m점에서의 반사광과는 다른 방향으로 반사한다. 즉, 반사광을 검출하는 검출기를 m점의 반사광을 받는 위치에 배치하면, n점의 반사광을 받을 수 없는 일이 생긴다. 따라서, 측정결과를 주사방향에 따라서 플롯(plot)하면, 도 12(B)의 실선으로 나타낸 바와 같이 시일재의 경사부에 있어서, 시일재의 실단면(도 12(B)의 점선)에 비해 움푹 들어간 파형을 얻을 수 있다. 상기와 같이 경사부에 있어서는 정반사한 반사광을 수광할 수 없기 때문이다.

따라서, 특허문헌 1의 발명은, 광변위센서 그 자체를 피측정물의 경사면에 따라 회전시켜 측정하는 것이다. 특허문헌 1의 발명에 관한 기술은, 광변위센서의 출력이 소정값이 되도록, 광변위센서를 회전하도록 자동 제어하는 구성으로 되어 있었다. 따라서, 측정점의 기울어진 면이나 평면 등에 추종하여 측정하는 것이 가능하였다.

[특허문헌 1] 일본특허공개공보 평성7-69151호

상기 특허문헌 1의 기술에 의하면, 광변위센서의 출력이 소정값이 되도록 광센서의 회전위치(각도)를 자동 제어하는 것이기 때문에, 광변위센서의 출력이 소정값으로 안정될 때까지의 제어시간이 필요한 것, 또한 그 제어시간은 측정점에 있어서의 형상(평평한 면, 기울어진 면 등)에 의존한다라는 것이 있고, 측정점을 차례차례로 주사하면서 측정하는 변위측정장치에 있어서는, 그 주사시간을 지연시킬 우려가 있었다. 또한, 구성도 회전위치의 제어기구도 복잡하였다.

본 발명의 목적은, 피측정물 상의 측정점의 형상에 따라 다른 각도로 정반사하는 빛을 검출할 수 있는 복안(複眼)기능을 구비한 광센서에 의해, 그 측정점에 있어서의 형상의 영향을 방지하고, 측정점을 주사하면서(형상의 변화에 의존하는 시간을 들이는 일 없이) 측정할 수 있는 기술을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 기재의 발명은, 광원(LD)과, 상기 광원으로부터 출사한 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광한 위치를 측정점으로서 조사하는 집광렌즈(2)와, 상기 피측정물로부터 상기 측정점을 대칭으로 하여 정반사한 빛을 수광하는 수광렌즈(3)와, 상기 수광렌즈로 집광된 빛을 받는 수광소자(PSD)를 갖고, 상기 수광소자의 수광면 상의 수광위치에 의해 상기 측정점 에 있어서의 상기 피측정물의 변위를 검출하는 변위측정장치에 있어서,

상기 수광렌즈와 상기 수광소자로 수광부를 형성하고, 상기 광원의 하나에 대하여 상기 수광부가 상기 측정점을 중심으로 복수 구비하고, 복수의 수광부 중 어느 하나가 상기 정반사한 반사광을 수광한다.

청구항 2에 기재의 발명은, 청구항 1에 기재의 발명에 있어서, 상기 복수의 수광부는, 상기 측정점과 상기 수광렌즈와의 거리가 전부 거의 동일하고, 또한 상기 수광렌즈와 상기 수광소자와의 거리가 전부 거의 동일한 구성으로 한다.

청구항 3에 기재의 발명은, 광원(LD)과, 상기 광원으로부터 출사한 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광한 위치를 측정점으로서 조사하는 집광렌즈(2)와, 상기 피측정물로부터 상기 측정점을 대칭으로 하여 정반사한 빛을 수광하는 수광렌즈(3)와, 상기 수광렌즈로 집광된 빛을 받는 수광소자(PSD)를 갖고, 상기 광원, 상기 집광렌즈, 상기 수광렌즈 및 상기 수광소자가 상기 피측정물에 대해서 상대적으로 이동함으로써, 상기 측정점이 상기 피측정물을 주사하도록 되어 있고, 상기 수광소자의 수광면 상의 수광위치에 의해 상기 측정점에 있어서의 상기 피측정물의 변위를 검출하는 변위측정장치에 있어서,
상기 광원의 하나에 대하여, 상기 수광렌즈와 상기 수광소자로 형성된 수광부를 적어도 3개 이상의 복수로 구비하고, 상기 복수의 수광부 중 어느 하나가 상기 피측정물의 상기 주사방향에 따른 단면에 있어서의 양측의 경사부분(Xn-1)(Xn+1) 및 그 사이의 꼭대기부분(Xn) 중의 어느 한 부분을 측정점으로 해서도 정반사된 반사광을 수광할 수 있도록, 상기 측정점을 중심으로 배열하여 구비한다.
청구항 4에 기재의 발명은, 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광 된 위치를 측정점으로서 조사하는 투광부(100)와, 상기 측정점으로부터 정반사하는 반사광을 수광하기 위한 수광부(210)를 갖는 광변위센서를 구비하고, 상기 투광되는 빛을 포함하여 상기 피측정부에 거의 수직인 평면에 직교하는 방향으로 상대적으로 상기 광변위센서를 이동시키는 것에 의해 주사하고, 상기 피측정물의 변위를 측정하는 변위측정장치로서,

삭제

상기 광변위센서는, 상기 하나의 투광부에 대하여, 상기 수광부를 복수(200,210,220)를 구비하고 있고, 상기 복수의 수광부는, 상기 측정점을 향하여 상기 평면과 교차하는 방향으로 배열되고, 또한 상기 각 수광부의 수광면이 차지하는 상기 측정점으로부터 상기 정반사한 반사광을 수광할 수 있는 수광범위가, 변위측정상, 서로 이웃하는 수광부의 수광면끼리로 연속하도록 배치된 구성으로 한다.
청구항 5에 기재의 발명은, 청구항 4에 기재의 발명에 있어서, 상기 복수의 수광부는 상기 평면과 교차하는 점에 1개와, 그 평면과 교차하는 방향의 양측에 같은 수만큼 대칭으로 배열된 구성으로 한다.

삭제

청구항 6에 기재의 발명은, 청구항 4 또는 5에 기재의 발명에 있어서, 상기 투광부는, 광원(LD)과, 상기 광원으로부터 출사한 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광된 위치를 측정점으로서 조사하는 집광렌즈(2)를 구비하고,

상기 복수의 수광부는, 상기 측정점으로부터 정반사한 빛을 받아 집광하는 수광렌즈 기능소자(3a,3b,3c)와, 상기 수광렌즈 기능소자로 집광된 빛을 받는 수광소자(PSD1,PSD2,PSD3)를 구비하고, 상기 수광부의 수광면은, 상기 수광렌즈 기능소자의 수광면인 구성으로 한다.

청구항 7에 기재의 발명은, 청구항 6에 기재의 발명에 있어서, 상기 복수의 수광렌즈 기능소자로부터 상기 집광되는 위치까지의 거리는 거의 동일하고, 상기 각 수광렌즈 기능소자는 상기 측정점으로부터 거의 동일거리에 배치되고, 또한 서로 이웃하는 수광렌즈 기능소자의 수광면이 서로 접하도록 근방에 배치된 구성으로 한다.

청구항 8에 기재의 발명은, 청구항 6에 기재의 발명에 있어서, 상기 각 수광렌즈 기능소자는, 상기 측정점으로부터 정반사한 빛을 받아 평행광으로 하는 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)와 콜리미터 렌즈로부터의 평행광을 상기 대응하는 수광소자에 집광하는 수광용 집광렌즈(3a1,3b2,3c2)를 갖고,

상기 수광부의 수광면은, 상기 콜리미터 렌즈의 수광면으로서, 서로 이웃하는 콜리미터 렌즈의 수광면이 상기 측정점에 대해서 차지하는 수광범위가, 서로 연속하도록 배치되는 것과 함께, 각 수광렌즈 기능소자에 있어서의, 상기 측정점과 상기 콜리미터 렌즈 간의 거리와, 상기 수광용 집광렌즈와 상기 수광소자간의 거리의 비가 거의 동일한 구성으로 한다.

청구항 10에 기재의 발명은, 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광된 위치를 측정점으로서 조사하는 투광부(100)와, 상기 측정점으로부터 정반사하는 반사광을 수광하기 위한 수광부(210)를 갖는 광변위센서와, 상기 투광되는 빛을 포함하여 상기 피측정물에 거의 수직인 평면에 직교하는 방향으로 상대적으로 상기 광변위센서를 이동시키는 것에 의해 주사하여, 상기 광센서의 출력에 의해 피측정물의 변위를 측정하는 변위측정부(300)와, 변위측정부의 출력의 양호불량을 판정하는 검사부(400)를 구비한 형상검사장치로서,

상기 광변위센서는, 상기 하나의 투광부에 대하여, 상기 수광부를 복수(200,210,220)를 구비하고 있고, 복수의 수광부는, 상기 측정점을 향하여 상기 평면과 교차하는 방향으로 배열되고, 또한 상기 각 수광부의 수광면이 차지하는 상기 측정점으로부터 상기 정반사하는 반사광을 수광할 수 있는 수광범위가, 변위측정상, 서로 이웃하는 수광부의 수광면끼리 연속하도록 배치된 구성으로 한다.

청구항 9의 발명은 각각 청구항 4 또는 5의 발명에 있어서, 또는 청구항 11의 발명은 청구항 10의 발명에 있어서, 각각 광변위센서를 주사방향이 다른 방향마다 구비한 구성으로 한다.

한편, 상기 발명의 표현을 바꾸면 다음과 같이 말할 수 있다. 즉, 광원과, 상기 광원으로부터 출사한 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광된 위치를 측정점으로 해서 조사하는 집광렌즈와, 상기 측정점을 경계로 하여 대칭으로 정반사한 빛을 받아 집광하는 수광렌즈 기능소자와, 상기 수광렌즈 기능소자에서 집광된 빛을 받는 수광소자를 가지는 광변위센서를 구비하고, 상기 광변위센서를 상기 피측정물에 대해서 상대적으로, 또한 상기 광원으로부터 상기 측정점까지의 광로를 포함하여 상기 피측정물에 대해서 거의 수직인 평면에 직교하는 방향으로 이동시키는 것에 의해 상기 측정점을 주사시키고, 상기 수광소자의 수광면 상의 수광위치에 의해 상기 측정점에 있어서의 상기 피측정물의 변위를 검출하는 변위측정장치로서,

상기 광변위센서는, 상기 수광렌즈 기능소자가 복수, 상기 평면과 교차하는 방향으로 상기 평면을 경계로 대칭으로 상기 측정점을 축으로 하여 대략 부채형상 으로 배열되고, 또한 상기 각 수광렌즈 기능소자의 측정점에 대해서 갖는 수광범위가 변위측정상 서로 이웃하는 수광렌즈 기능소자 간에 연속하도록 배치되고, 또한, 상기 수광소자가 복수, 상기 배열된 수광렌즈 기능소자에 대응하여 각 수광렌즈 기능소자에 의해서 집광되는 위치에 배치되는 구성을 구비한 것을 특징으로 하는 변위측정기.

[발명의 실시형태]

본 발명의 실시형태를 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은, 본 발명에 관한 광변위센서의 실시형태를 설명하기 위한 모식적인 구성도이다. 도 1(A)은 광원인 LD(레이저 다이오드)로부터 피측정물에 조사되는 빛을 포함하여 피측정물에 수직인 평면에 직교하는 방향에서 본 도이다. 바꿔 말하면, 주사방향에서 본 도이다. 도 2는, 도 1의 구성을 화살표 A에서 본 모식적인 도이다. 도 3은, 수광소자인 PSD 및 수광렌즈(기능소자)를 포함하는 수광부를 설명하기 위한 도이고, 복수의 수광부를 동일구성으로 한 경우를 설명하기 위한 도이다. 도 4는, 복수의 수광부의 수광렌즈 기능소자를 바꾼 경우의 예를 설명하기 위한 도이다. 도 5는, 복수의 수광부에 있어서의 수광렌즈 기능소자 및 수광소자인 PSD가 다른 경우의 예를 설명하기 위한 도이다. 도 6은, 본 발명의 변위측정장치에 관한 실시형태의 기능구성을 나타내는 도이다. 도 7은, 도 6의 실시형태를 이용한 형상검사장치의 실시형태의 기능구성을 나타내는 도이다. 도 8은, 변위측정결과의 예를 나타내는 도이다. 도 9는, 수광범위의 연속성을 설명하기 위한 도이다. 도 10은, 2개의 광변위센서를 구비한 구성예를 나타내는 도이다. 도 11은, 카메라의 위치를 설명하기 위한 도이 다.

[광변위센서]

여기에서는, 도 1에 있어서의 광원(LD), 콜리미터 렌즈(1) 및 집광렌즈(2)로 구성되는 투광부(100)와, 수광렌즈(기능소자) 및 수광소자(이 1조합이 1수광부)로 이루어지는 3개의 수광부(200,210,220)(대표하여 「수광부」라 하는 경우가 있다.)로 구성되는 광변위센서의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

한편, 본 발명에 있어서, 「수광렌즈 기능소자」라고 하는 표현을 이용하고 있지만, 동일 기능·성능을 단일의 렌즈 혹은 복수의 렌즈로 달성할 수 있는 것으로부터, 그것들 전체를 표시하기 위한 표현이다.

도 1에 있어서, 광원(LD)은 예를 들면, 레이저 다이오드이고, 빛을 발생한다. 실제는, 빛의 묶음(빔)이지만, 도 1에는 단순한 선으로 나타내고 있다. 콜리미터 렌즈(1)는, 광원(LD)으로부터의 빛을 받아 평행광으로 변환하여 집광렌즈(2)로 보낸다. 집광렌즈(2)는, 콜리미터 렌즈(1)로부터 받은 평행광을 집광하여 피측정물 상을 조사한다. 이하에서는, 이 조사된 위치를 「측정점」이라고 한다.

도 1 및 도 2에 있어서, 이 예에서는, 수광렌즈(기능소자)로서는 수광렌즈 (3a,3b,3c)(대표하여 「수광렌즈 3」이라 하는 경우가 있다.)의 3개를 갖고, 조사된 피측정물 상의 측정점에서 정반사한 빛을 받아 수광소자(PSD1∼3) 중의 어느 하나에 집광시킨다. 이 예에서는, 수광소자로서도 PSD1∼3 중의 3개를 가지고 있다. 수광소자(PSD1∼3)(대표하여 「수광소자 PSD」라고 하는 경우가 있다.)의 각각은, 이 경우는, 도 1(B)에 나타내는 바와 같이 동일한 구성을 갖는다. 수광소자(PSD1 ∼3)는, 광학적으로 변위를 측정하여 전기신호로 변환하는 소자이고, 포토다이오드로 구성되어도 좋고, CCD로 구성되어도 좋다. 수광소자(PSD1∼3)는, 광학도 1(B)의 세로방향에, 빛을 받은 PSD 상의 위치, 즉 변위 Lp는 그 양 끝단으로부터 출력되는 강도, 예를 들면, 출력 A1과 출력 B1의 값을 이용하여, Lp1 = (A1-B1) / (A1+B1)으로 나타낸다. 따라서, 도 1에 나타내는 바와 같이 측정점의 형상, 높이의 변화는, 수광소자(PSD1∼3)가 수광하는 위치 P1, P2, P3이 각각의 출력 A1∼A3, 출력 B1∼B3에서 상기 식에 의해 특정되어, 변위 Lp1∼Lp3을 측정할 수 있다(자세한 것은 후기.).

도 1, 도 2의 수광렌즈(3a,3b,3c)는, 같은 초점거리의 것을 사용하고, 예를 들면, 도 3과 같이 비(PSD측의 초점거리 F2/측정점측의 초점거리 F1)가 같은 렌즈(렌즈기능소자)를 사용하고 있다. 수광소자(PSD)의 성능, 수광렌즈(3)의 성능이 같기 때문에, 측정점과 각 수광렌즈(3)과의 사이의 거리는 같고, 또한 측정점과 각 수광소자(PSD)와의 사이의 거리도 같다. 수광부(200,210,220)의 3개의 변위검출감도를 동일하게 하기 위해서이다.

또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 투광부(100)로부터 투광되는 빛의 광로를 포함하여 피측정물에 수직인 면(도 1의 면, 혹은 도 2의 수광소자(PSD2)와 측정점을 연결하는 선 위에 세운 면)과 교차하도록 거의 부채형상으로 배설된 수광렌즈 (3a,3b,3c)의 수광면은 서로 이웃하는 것끼리 접촉하도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이 수광렌즈(3a)에서 받은 빛은 수광소자 (PSD1)에 집광하고, 수광렌즈(3b)로 받은 빛은 PSD2에 집광하고, 수광소자(3c)로 받은 빛 은 수광소자(PSD3)에 집광시키는 것에 의해, 수광렌즈(3a)로부터 (3c)까지의 부채형상으로 배설된 각 각도범위(수광범위)에 있는 빛을 빠짐없이 수광할 수 있는 구성으로 하기 위한 것이다. 서로 이웃하는 각 수광소자의 수광면 사이에 틈새가 있으면, 그 틈새에 들어간 빛은 수광할 수 없기 때문에, 그 틈새에 들어간 위치에 있어서의 측정점의 변위에 오차를 일으키게 되기 때문이다.

한편, 상기와 같이 「부채형상으로 배설된 수광렌즈(3a,3b,3c)의 수광면은 서로 이웃하는 것끼리 접촉하도록 구성」이란, 말하자면 각 수광부(수광렌즈 3)의 수광면이 측정점에 대해서 갖는 수광범위를 서로 이웃하는 수광면끼리 연속하도록 배치시키는 것으로, 완전하게 연속하면 좋지만, 배치·구조상의 오차 등의 문제가 있다. 따라서, 여기서의 「연속하도록 배치」란, 배치한 결과 어디까지나 실질적으로 변위측정을 할 수 있는 것을 의미한다. 바꿔 말하면, 실질적으로 측정에 영향이 없는 수광범위의 불연속을 허용한다. 예를 들면, 빛을 광속으로서 파악한 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이 적어도 빛의 일부가 몇 개의 수광렌즈에 입력되고 있으면, 측정 가능하기 때문에, 연속성이 있다. 도 9는, 설명을 위해 도 4의 수광렌즈(3a1,3b1,3c1)만 꺼내서 다시 배열한 것이다. 도 9에 있어서, 측정점으로부터의 반사광 A(사선부분의 광속)의 일부가 수광렌즈(3b1과 3c1)의 사이를 빠지고, 일부가 수광렌즈(3b1)에서 수광하고 있다. 반사광 B(사선부분의 광속)의 일부가 수광렌즈(3b1)에 입력되고, 다른 일부가 수광렌즈(3a1)에 입력되고, 또한 다른 일부가 수광렌즈(3b1과 3a1)의 사이를 빠지고, 일부가 수광렌즈(3b1)로 수광하고 있다. 이와 같이, 측정점으로부터의 반사광이 전부 빠지지 않는 치수관계의 구조로 함으 로써, 연속성이 생긴다.

한편, 주사과정에 있어서, 예를 들면, 다음의 (가) 또는 (나)와 같은 측정방법으로, 소정거리 사이에 있어서 반사광이 빠지는 일이 있어도, 측정상은 실질적으로 연속하여 측정하는 것으로서, 그 변위측정상 허용되는 오차범위 내이면, 실질적으로 수광면의 수광범위가 연속하도록 배치된 것으로 간주하는 것으로 한다.

(가) 주사방향으로 주사하고, 소정거리마다(주사방향의 측정분해능)에 변위를 측정한다. 즉, 주사방향으로 소정거리마다 연속하여 측정할 수 있으면 좋다. 또한, 상기와 같이 소정거리마다 측정하는 것이, 피측정물의 요철의 경사도의 정도나, 평탄도의 정도가 피측정물의 종류 등으로 예상될 때, 그 소정거리 간격을 크게 하거나 혹은 집중적으로 일부는 세밀하고 일부는 크게 하거나 하는 경우가 있다.

(나) 피측정부의 요철 형상의 경사도의 정도나, 평탄도의 정도에 따라서는, 소정거리 간격의 하나 또는 복수 간격마다 변위를 측정하고, 그 하나 또는 복수간격에 있어서의 값은 전후의 측정값으로 보정하거나, 혹은 전후의 측정값을 연결하는 선 상의 추정값으로 하는 것도 가능하다.

이상과 같이 실질적인 악영향이 없으면, 수광범위의 불연속성이 있어도 본 발명의 범주에 속한다. 이하, 수광범위의 연속에 대해서는, 상기 의미를 나타내는 것으로 한다.

도 2는, 도 1의 화살표 A에서 본 도이고(광원측의 구성을 생략), 또한 주(主)주사의 위치에 의해 정반사의 각도가 바뀌고, 또한 수광소자(PSD1∼3)에서의 수광위치가 변화하는 모습을 나타내고 있다. 제1 주사광, 제2 주사광 및 제3 주사 광은, 본래 하나의 빛으로 측정점을 주(主)주사하는 것이지만, 설명상, 피측정물 상의 측정점 Xn-1을 주사한 때의 빛을 제1 주사광, 측정점 Xn을 주사한 때의 빛을 제2 주사광 및 측정점 Xn+1을 주사한 때의 빛을 제3 주사광으로서 표현하고 있다. 제1 주사광에 의해서 측정점 Xn-1의 경사(주 주사방향에 대해서 우측으로 올라가는 경사점)에서 정반사한 빛은, 수광렌즈(3a)에서 수광소자(PSD1)에 집광되고(p2), 그 변위가, Lp2= (A1-B1)/(A1+B1)로서 측정된다. 제2 주사광에 의해서 측정점 Xn의 정상에서 정반사한 빛은, 수광렌즈(3b)에서 수광소자(PSD2)에 집광되고(p1), 그 변위가, Lp1= (A2-B2)/(A2+B2)로서 측정된다. 제3 주사광에 의해서 측정점 Xn+1의 경사(주 주사방향에 대해서 우측으로 내려가는 경사점)에서 정반사한 빛은, 수광렌즈(3c)에서 수광소자(PSD3)에 집광되고(p3), 그 변위가, Lp3 = (A3-B3)/(A3+B3)로서 측정된다. 실제는, 후기하는 변위측정장치(도 6 참조)에서 설명하는 바와 같이, 변위 L = (A-B)/(A+B), A = A1+A2+A3, B = B1+B2+B3 로 표시할 수 있다.

도 8에 그 측정결과를 나타낸다. 도 8은, 가로축이 주 주사방향의 주사위치를 나타내고, 세로축은 각 수광소자(PSD)의 출력을 기본으로 계산한 변위이다. 이 도면과 같이, 경사면에서 정반사한 빛을 수광하여, 그 형상변위를 구할 수 있다.

[광변위센서의 형태]

여기에서는, 광변위센서의 형태, 특히 수광부의 형태에 대해 설명한다. 수광부는, 그것을 구성하는 수광소자(PSD), 수광렌즈 기능소자 등의 차이에 의해서 다음의 (1)∼(4)에 나타낸 것과 같은 실시형태가 있고, 어느 것을 채용해도 좋다.

(1) 3개의 수광부를 구성하는, 각각의 수광소자(PSD), 수광렌즈 기능소자의 성능·기능이 같은 경우 :

이것에 대해서는, 상기의 도 1, 2에서 설명한 바와 같이, 측정점과 각 수광렌즈(3)와의 사이의 거리는 같고, 또한 측정점과 각 수광소자(PSD)와의 사이의 거리도 같다.

(2) 각 수광부의 수광소자(PSD)의 성능·기능은 같지만, 각 수광렌즈 기능소자의 성능·기능이 다른 경우:

이 예를 도 4에 대해 설명한다. 도 4의 각 수광렌즈 기능소자는, 각각 측정점으로부터의 정반사를 수광하여 평행광으로 하는 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)와, 그 평행광을 수광소자(PSD)에 집광시키는 수광용 집광렌즈(3a2,3b2,3c2)로 구성된다. 여기서, 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)의 각 초점거리를 Fa1, Fb1, Fc1으로 하고, 수광용 집광렌즈(3a2,3b2,3c2)의 각 초점거리를 Fa2, Fb2, Fc2로 해서, 각 수광부로서의 광학적 확대율 Fa2/Fa1, Fb2/Fb2, Fc2/Fc1이 전부 동일한 값이다. 이 경우, 측정점과 각 콜리미터 렌즈와의 사이의 거리, 측정점과 각 수광소자(PSD)와의 사이의 거리(도 4의 거리 La, Lb, Lc)는, 각각 달라도 좋다. 특히, 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)와 수광소자(PSD)와의 사이에 따라서도 거리가 달라 진다.

이 예에서는, 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)가 측정점으로부터의 빛을 집광하므로, 서로 이웃하는 콜리미터 렌즈(3a1)와 콜리미터 렌즈(3b1), 콜리미터 렌즈 (3b1)와 콜리미터 렌즈(3c)의 각 수광면의 측정점에 대한 수광범위가 서로 연속하도록 배열되는 것이 필요하다. 측정점으로부터의 정반사가 콜리미터 렌즈 간에서 새지 않게 하기 위해서이다. 이 경우는, 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)에 초점거리 의 차이에 따라서, 측정점으로부터의 거리를 다르게 할 수도 있으므로(도 4를 참조), 상기 (1)과 달리, 서로 이웃하는 수광면에서 수광범위를 연속시키는 것이 용이하게 된다.

(3) 각 수광부의 수광소자(PSD)의 성능·기능, 및 각 수광렌즈 기능소자의 성능·기능이 다른 경우 :

이 예를 도 5의 2개의 수광부에 대해서 비교하여 설명한다. 도 5(A)의 각 수광렌즈 기능소자는, 각각 측정점으로부터의 정반사를 수광하여 평행광으로 하는 콜리미터 렌즈(3b1,3c1)와 그 평행광을 수광소자(PSD)에 집광시키는 수광용 집광렌즈(3b2,3c2)로 구성된다. 여기서, 콜리미터 렌즈(3b1,3c1)의 각 초점거리를 Fb1, Fc1으로 하고, 수광용 집광렌즈(3b2,3c2)의 각 초점거리를 Fb2, Fc2로 하면, 각 수광부로서의 광학적 확대율 Fb2/Fb1, Fc2/Fc1이다. 한편, 도 5(B)는, 도 5(A)의 수광소자(PSD2,PSD3)의 부분을 확대한 도이다. 이 도면에서, 수광소자(PSD2와 PSD3)에서는, 후단의 디지털 처리에 의해 같은 구획수 Q(예를 들면, 4096)로서 취급되어 처리되지만, 그러한 처리의 1구획(화소, 도트) 당의 사이즈의 비(PSD2의 1구획사이즈/PSD3의 1구획사이즈)가, 광학적 확대율의 비{(Fb2/Fb1)/(Fc2/Fc1)}에 동일하게 되어 있다. 결과적으로, 수광소자(PSD2)와 수광소자(PSD3)가 동일광으로부터 받는 1구획당의 감도(感度)는 같게 된다. 따라서, 이 형태에서도, 측정점으로부터 각 수광소자(PSD1∼3)까지의 거리는 수광부마다 다르게 할 수 있다. 이러한 생각은, 수광소자(PSD)로서 CCD소자, CMOS소자 등을 어레이 형상으로 배치하여 형성한 경우도, 그러한 수광소자간에 화소수(예: CCD 소자수)가 같고, 그 1화소당 사이즈(예: CCD소자의 사이즈)가 다른 구성의 것을 이용함으로써 대응할 수 있다.

(4) 상기 3에서, 각 수광부의 각 수광렌즈 기능소자의 성능·기능이 다르지만, 수광소자(PSD)의 성능ㆍ기능이 같고, 소프트웨어 또는 앰프의 게인(gain) 등으로 오프세트, 감도 등을 조정하는 경우 :

각 수광렌즈 기능소자의 성능·기능이 다른 것에 의해서, 광학적 배율(감도)이나 오프세트가 다르지만, 그 만큼을 소프트웨어나 앰프로 조정한다. 즉, 상기 (3)과 같이 확대율이 Fb2/Fb1과 확대율 Fc2/Fc1이 달라도, 동일 기능ㆍ성능의 수광소자(PSD2와 PSD3)가 수광하는 상의 위치는 변하지 않기 때문에, 그 소프트웨어나 앰프로 조정할 수 있다.

[변위측정장치]

도 6을 기초로, 상기 설명한 광변위센서를 사용한 변위측정장치의 실시형태에 대해 설명한다.

도 6에 있어서, 광변위센서(4)가, 상기 도 1, 2에서 설명한 변위센서를 간단하게 나타낸 것이다. 광변위센서(4)에는, 대표하여 도 1에 있어서의 광원(LD)과 수광소자(PSD1∼3)가 기재되어 있다. 도 6에 있어서, 제어부(6), 주사기구(5), 가산기(7,8), 연산기(9) 및 화상처리부(10)는, 변위측정부(300)를 구성하고 있다.

도 6의 제어부(6)는, 미리 피측정물의 표면을 주사하여 측정하기 위해서 필요한, 피측정물의 표면에 관한 레이아웃 정보를 갖고, 그 레이아웃에 기초하여 주 주사범위와 그 횟수, 주 주사방향에 직교하는 방향에의 부 주사범위와 그 횟수를 결정하고, 주사기구(5)에 대해서 지시하는 것과 함께, 주사개시를 지시한다. 한 편, 주사하고 있을 때의 위치의 정보, 즉 측정점의 위치정보를 출력하고 있다.

주사기구(5)는, 제어부위(6)의 지시에 따라서, 광변위센서(4)와 피측정물을 상대적으로 주 주사방향으로 이동시키고, 및 부 주사방향으로 이동시키는 구동기구 및 수단을 구비한다. 예를 들면, 그러한 수단은, 광변위센서(4)를 주 주사방향으로 직선적으로 이동시키고, 1개의 주 주사가 끝나면 주 주사방향과 직교방향으로 피측정물을 이동시키는 것에 의해, 광변위센서(4)에 의한 측정점을 상대적으로 주사한다.

가산기(7)는, 수광소자(PSD1∼3)의 상단의 각 출력(A1,A2,A3)을 가산하고, A = A1+A2+A3을 출력하고, 가산기(8)는 수광소자(PSD1∼3)의 하단의 각 출력(B1, B2,B3)을 가산하고, B = B1+B2+B3을 출력하고 있다. 그리고, 이러한 출력 A, B를 기초로, 연산기(9)가 변위정보로서의 출력 L = (A-B)/(A+B)을 연산하여 출력한다. 한편, 측정대상이 거울면에서 반사광의 지향성이 강한 경우는, 측정점으로부터의 정반사광은 한 개이므로, 수광소자(PSD1∼3)의 어느 한 쪽에 입력되므로, 출력 L1 = (A1-B1)/(A1+B1), 출력 L2 = (A2-B2)/(A2+B2) 또는 출력 L3 = (A3-B3)/(A3+B3) 중에서 빛을 받은 1개의 연산결과와 출력 L = (A-B)/(A+B)의 연산결과는 같다.

변위측정장치로서 도 8에 나타내는 바와 같이 측정점과 변위를 플롯하는 것뿐이면, 연산기(9)의 출력을 제어부(6)의 위치정보에 대해서 플롯하는 것에 의해 얻을 수 있다. 화상처리부(10)는, 연산기(9)의 출력과 제어부(6)의 위치정보를 기초로, 피측정물의 표면형상을 각 화소가 변위정보로 이루어지는 3차원 화상으로서 재현하기 위한 것이다. 주 주사방향, 부 주사방향 및 변위방향을 3차원으로 하는 화상을 연산하여 출력하더라도 좋다.

[형상검사장치]

도 7을 기초로, 상기 설명한 광변위센서(4)를 사용한 변위측정장치를 이용하여 피측정물의 표면의 변위를 검사하는 형상검사장치에 이용한 실시형태에 대해 설명한다. 예를 들면, 프린트기판에 전자부품을 탑재 리플로우 후의 특히 경사면의 땜납상태의 양부 판정에도 유효하다. 도 7에 있어서, 제어부(6), 비교수단(11), 판정수단(12) 및 표시수단(13)은 검사부(400)를 구성하고 있다.

화상처리부(10)는 연산기(9)의 출력과 제어부(6)로부터의 피측정물의 측정점의 위치(좌표)에서 측정한 에어리어(측정점의 집합영역: 예를 들면, 프린트기판 상에 인쇄된 크림 땜납면)에 있어서의 면적(예를 들면, 땜납 인쇄된 면적)이나 부피(예를 들면, 땜납량)를 나타내는 화상 데이터를 생성한다. 비교수단(11)은, 제어부(6)로부터 그 에어리어에 있어서의, 설계값 등을 레퍼런스(면적이나 부피)로서 받아, 화상데이터와 레퍼런스와의 차이를 연산하여 출력한다. 한편, 화상데이터로 변환하는 일 없이, 그 측정점에서 측정한 변위(높이 : 예를 들면, 땜납의 높이)와 레퍼런스(이 경우는, 예를 들면, 측정점에 있어서의 설계상의 높이)와의 차이를 출력해도 좋다.

판정수단(12)은, 레퍼런스에 대응하여 그 허용값을 제어부로부터 받아, 비교수단(11)으로부터의 출력과 비교하여, 비교수단(11)의 출력이 허용값 내이면 합격으로 하고, 허용값 외이면 불량(부)으로 판정한다.

표시수단(13)은, 판정수단(12)의 판정결과를 표시한다. 또한, 제어부(6)로 부터 레이아웃 정보(예를 들면, 프린트기판의 땜납 개소의 배치도)를 받아 표시하여, 레이아웃의 어느 위치가 불량(부)이고, 합격인지를 식별 가능하게 표시해도 좋다. 또한, 그것들과 별도로 혹은 더불어, 화상처리부(10)에서 생성한 화상데이터에 기초하는 화상을 표시시켜, 어느 개소가 불량이며, 합격인지를 식별 가능하게 표시시킬 수도 있다.

상기 복안의 광변위센서를 이용하여 피측정물의 표면 형상을 검사하면, 단순히 정점이나 플랫(flat) 부분뿐만 아니라, 경사 부분의 형상도 포함하여 양부 판정의 검사를 할 수 있다.

상기 설명에 있어서, 피측정물에 있어서의 측정대상으로 하여 도 8과 같이 피측정물의 표면의 볼록부에서 경사와 그 정점이, 본 실시형태에서 변위 측정할 수 있다라는 요지를 설명했지만, 반대로 오목부이더라도 그 오목부의 개구(開口)의 넓이에 의해서도 그 경사부와 바닥부의 변위를 측정할 수 있다.

[광변위센서를 2개 구비한 예]

도 10(A)에, 도 1 또는 도 6에 나타낸 광변위센서와 동일한 광변위센서(4a 및 4b)의 2개를 구비한 형상검사장치를 나타낸다. 이 형상검사장치 대신에 변위측정장치이더라도 좋다. 도 10에 있어서, 부호가 도 1 내지 도 6에 나타나는 부호가 동일한 요소는 기능도 동일하다. 도 10에 있어서, 광변위센서(4a)와 광변위센서 (4b)는 같은 것이고, 각각 같은 투광부(100) 및 같은 수광부(200,210,220)를 가지고 있다. 그리고, 광변위센서(4a)와 광변위센서(4b)는, 서로 주 주사방향이 직교하는 방향으로 배치되어 있다. 그것들은, 예를 들면, 도 10(B)에 나타내는 바와 같이 기초재에 직사각형 형상으로 설치된 시일재(600)로서, 도 10(C)과 같이 불룩 솟아오른 형상을 측정하는데 이용된다. 즉, 광변위센서(4a)가, 도 10(B)의 도면 상의 상한방향의 시일재(600)의 형상을 측정하고, 광변위센서(4b)가 도 10(B)의 도면 상의 가로방향의 시일재(600)를 측정한다. 그리고, 각 광변위센서(4a 또는 4b)의 각 출력은, 도 10(A)의 스위치(S)로 전환되어, 변위측정부(300) 및 검사부(400)를 거쳐, 검사결과가 표시수단(13)에 표시된다.

광변위센서(4a)와 광변위센서(4b)의 전환 및 스위치(S)의 전환은, 제어부(6)에 의해서 전환된다. 조작자는, 도 11에 나타내는 바와 같이 측정점의 상부에 설치된 카메라(500)가 촬영한 측정점의 영상을 표시수단(13)으로 확인하면서, 조작수단(도시하지 않음)에 의해 전환지시를 제어부(6)에 출력한다.

이와 같이 광변위센서를 2개 준비하지 않고, 1개의 광변위센서(4)를 갖고, 측정방향이 다를 때마다, 그 광변위센서(4)의 방향을 변환기구로 변환해도 좋지만, 그 경우, 측정 정확도의 미소한 재현성이 문제가 되어 온다. 또한, 재현성은 변환기구의 시간경과에 따른 변화의 영향을 받기 쉽다. 도 10(A)의 예에서는, 측정방향이 달라도 재현성이 좋은 측정을 실시하기 위해서 2개의 광변위센서(4a 및 4b)를 구비한 것이다.

본 발명은 광변위센서가 다른 각도의 복수의 빛을 검출할 수 있는 수광부를 구비하는 구성, 이른바 복안기능을 가지는 구성이기 때문에, 주사 중에 측정점의 형상변화에 응답하여 수광 할 수 있으므로, 형상의 변화에 따른 변위를 주사하면서 즉시 측정할 수 있다. 또한, 종래의 특허문헌 1과 같이 단안(單眼)의 광변위센서를 회전시키는 기구가 없기 때문에, 용이하게 구성할 수 있다.

Claims

빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광된 위치를 측정점으로서 조사하는 투광부(100)와, 상기 측정점으로부터 정반사하는 반사광을 수광하기 위한 수광부(210)를 갖는 광변위센서를 구비하고, 상기 투광되는 빛을 포함하여 상기 피측정물에 수직인 평면에 직교하는 방향으로 상대적으로 상기 광변위센서를 이동시키는 것에 의해 주사하고, 상기 피측정물의 변위를 측정하는 변위측정장치로서,

상기 광원의 하나에 대하여 상기 수광부를 적어도 3개 이상의 복수로 구비하고, 상기 복수의 수광부 중 어느 하나가 상기 피측정물의 상기 평면에 따른 단면에 있어서의 양측의 경사부분(Xn-1)(Xn+1) 및 그 사이의 꼭대기부분(Xn) 중의 어느 한 부분을 측정점으로 해서도 정반사된 반사광을 수광할 수 있도록, 상기 복수의 수광부를 상기 측정점을 중심으로 배열하여 구비한 것을 특징으로 하는, 변위측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 수광부를 상기 측정점을 중심으로 배열하는 것은,

상기 복수의 수광부를 상기 측정점을 향하여 상기 평면과 교차하는 방향으로 배열하고, 또한 상기 각 수광부의 수광면이 차지하는 상기 측정점으로부터 상기 정반사한 반사광을 수광할 수 있는 수광범위가, 변위측정상, 서로 이웃하는 수광부의 수광면끼리로 연속하도록 배치하는 것임을 특징으로 하는, 변위측정장치.
제 2 항에 있어서,

상기 복수의 수광부는, 상기 평면과 교차하는 점에 1개와, 그 평면과 교차하는 방향의 양측에 같은 수만큼 대칭으로 배열된 것을 특징으로 하는, 변위측정장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 투광부는, 광원(LD)과, 상기 광원으로부터 출사한 빛을 피측정물 상에 집광시키는 것에 의해 집광된 위치를 측정점으로서 조사하는 집광렌즈(2)를 구비하고,

상기 복수의 수광부는, 상기 측정점으로부터 정반사한 빛을 받아 집광하는 수광렌즈 기능소자(3a,3b,3c)와, 상기 수광렌즈 기능소자에서 집광된 빛을 받는 수광소자(PSD1, PSD2, PSD3)를 구비하고,

상기 수광부의 수광면은, 상기 수광렌즈 기능소자의 수광면인 것을 특징으로 하는, 변위측정장치.
제 4 항에 있어서,

상기 복수의 수광렌즈 기능소자로부터 상기 집광되는 위치까지의 거리는 동일하고, 상기 각 수광렌즈 기능소자는 상기 측정점으로부터 동일거리에 배치되고, 또한 서로 이웃하는 수광렌즈 기능소자의 수광면이 서로 접하도록 근방에 배치된 것을 특징으로 하는, 변위측정장치.
제 5 항에 있어서,

상기 각 수광렌즈 기능소자는, 상기 측정점으로부터 정반사한 빛을 받아 평행광으로 하는 콜리미터 렌즈(3a1,3b1,3c1)와 상기 콜리미터 렌즈로부터의 평행광을 상기 대응하는 수광소자에 집광하는 수광용 집광렌즈(3a2,3b2,3c2)를 갖고,

상기 수광부의 수광면은, 상기 콜리미터 렌즈의 수광면으로서, 서로 이웃하는 콜리미터 렌즈의 수광면이 상기 측정점에 대해서 차지하는 수광범위가, 변위 측정상 서로 연속하도록 배치되는 것과 함께, 각 수광렌즈 기능소자에 있어서, 상기 측정점과 상기 콜리미터 렌즈 사이의 거리와 상기 수광용 집광렌즈와 상기 수광소자간의 거리의 비가, 동일한 것을 특징으로 하는, 변위측정장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 광변위센서는, 2개 구비되고, 또한 각각의 상기 주사가 다른 방향으로 주사 가능하게 배치된 구성인 것을 특징으로 하는, 변위측정장치.
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