JP2004163212A

JP2004163212A - 非接触式形状測定装置

Info

Publication number: JP2004163212A
Application number: JP2002328202A
Authority: JP
Inventors: Masanori Mizubayashi; 政範水林; Toshibumi Noto; 俊文能登
Original assignee: Tateyama Machine Co Ltd
Current assignee: Tateyama Machine Co Ltd
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】簡単な構成で、被測定物の形状を正確に測定することができる非接触式形状測定装置を提供する。
【解決手段】レーザー光源１２と、被測定物１４に照射されたレーザー光のスポットを撮像する撮像光学系１８と、撮像光学系１８を介してレーザー光のスポット像の干渉模様を撮す撮像素子２０を有する。撮像素子２０により捉えたレーザー光干渉模様を基に、被測定物１４の形状を演算する計測装置３４と、レーザー光を走査する走査装置４０，６０とを有する。走査装置４０は、レーザー光に対して交差する回転軸４２を有し、互いに平行な面を有しレーザー光が入射し貫通して入射光と平行な出射光として出て行くガラス板４４と、ガラス板４４を所定の周期で回転軸４２を中心として揺動させるパルスモータ４６と、ガラス板４４の揺動と同期して撮像素子２０により、レーザー光干渉模様を撮して転送する計測装置本体３４とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子部品はんだ付け形状等の微小な部位の形状を、光学的に非接触で計測する非接触式形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平６−２０１３４１号公報
【特許文献２】特開平７−３１１０２５号公報
例えば、各種電子装置等に組み込まれた回路基板に搭載される電子部品は、近年表面実装されるものが多く、その表面実装された電子部品の端子のはんだ付け状態を正確に検査することが求められている。このはんだ付け状態の検査方法として、特許文献１に開示されているように、電子部品端子のはんだ付け状態をカメラで撮影し、その撮像画像を画像処理してはんだフィレットの形状を認識し、はんだ付け状態を判断するものがあった。この場合、はんだ付け部に点光源を等間隔に配置し、その点光源からのスポット光が当てられたはんだフィレット表面をカメラで斜めに撮影し、そのスポット光の形状ではんだ付け状態を判断しているものであった。
【０００３】
また、レーザー光を検査対象に照射して、その反射光と照射光との位相差により対象物までの距離を計測し、検査対象の形状を測定する計測方法として、特許文献２に開示するものがあった。この計測方法は、レーザー光を被測定物に対して上方から走査しながら照射し、その反射光と照射光との位相差により距離を求め、被測定物を載せたステージを互いに直交するＸＹ軸方向に移動させて、被測定物の各点での高さを求め、形状を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の特許文献１に開示された技術の場合、カメラで捉える画像は被測定物に対して斜めに見た画像であり、凹凸のあるものの凹部や凸部の陰に隠れた部分は測定できないものであった。また、特許文献２に開示された技術の場合、被測定物からの反射光と照射光とのレーザー光の位相差を求めて、非接触で被測定物の高さを求めているが、この場合も、レーザー光の走査は、被測定物に対して上方のハーフミラーにより所定の角度の範囲でレーザー光を走査している。従って、レーザー光は被測定物に対して常に垂直に照射されるわけではなく、レーザー光は揺動するため、振幅の端に行くほど被測定物に対して斜めに照射され、陰となる部分ができやすいものであった。従って、この場合も、陰となる部分の測定ができないという問題があった。
【０００５】
この発明は上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、被測定物の形状を正確に測定することができる非接触式形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体レーザー等のレーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光を被測定物に導く出射光学系と、上記被測定物に照射されたレーザー光のスポットを撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を介して上記レーザー光のスポット像が通過する干渉部材と、この干渉部材による上記スポット光の干渉模様を撮す撮像素子と、上記撮像素子により捉えた上記レーザー光干渉模様を基に上記被測定物の形状を演算する計測装置と、上記レーザー光のスポットを上記被測定物上で走査する走査装置とを有する非接触式形状測定装置であって、上記走査装置は、上記レーザー光に対して交差する回転軸を有して設けられ互いに平行な面を有し上記レーザー光が上記互いに平行な面に入射し貫通して入射光と平行な出射光として出て行く透明光学部材と、上記透明光学部材を所定の周期で上記回転軸を中心として揺動させる駆動装置と、上記透明光学部材の揺動と同期して上記撮像素子によりレーザー光干渉模様を撮して転送する撮像素子ドライバとを備えた非接触式形状測定装置である。
【０００７】
上記透明光学部材の駆動装置はパルスモータである。上記駆動装置と上記撮像素子ドライバは、各々同期して制御する駆動制御装置により制御される。この駆動制御装置は、上記パルスモータの作動量を記憶した作動テーブルを備え、この作動テーブルは、上記撮像素子による撮像範囲と、その撮像範囲での撮像点に関するデータを備え、上記作動テーブルによる情報が上記撮像点に対応した位置で、上記撮像素子を駆動する信号を上記撮像素子ドライバに出力するものである。
【０００８】
また、上記透明光学部材は、上記レーザー光に対して交差する上記第一の回転軸と、この第一の回転軸の軸受が設けられた保持部材を軸支するとともに上記第一の回転軸と直交する第二の回転軸により揺動自在に設けられ、上記透明光学部材を上記第一、第二の各回転軸により所定の異なる周期で揺動させる駆動装置を設け、上記レーザー光スポットの走査を、上記透明光学部材の上記第一、第二の回転軸による揺動により２次元の走査を可能としたものである。
【０００９】
この発明の非接触式形状測定装置は、透明光学部材の揺動により被測定物に対して真上からレーザー光を照射し、被測定物に対して垂直なレーザー光により計測するものである。レーザー光によるスポットは、撮像光学系及び干渉部材を介して撮像素子に送られ、この撮像素子からの信号を計測装置により高さデータに変換し、さらに画像処理装置で、３次元情報に演算し表示可能とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図６はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の非接触式形状測定装置１０は、図４に示すように、レーザーダイオード等のレーザー光源１２を有し、このレーザー光源１２から発せられたレーザー光Ｌを被測定物１４に導く出射光学系１６を備え、被測定物１４に照射されたレーザー光Ｌのスポットを撮像する撮像光学系１８と、この撮像されたレーザー光スポットを撮すＣＣＤ等の撮像素子２０とを備えた計測ヘッド２２を有する。計測ヘッド２２の撮像素子２０で撮像された信号は、計測装置本体３４に出力され計測されて、レーザー光スポットの位置情報として出力される。
【００１１】
出射光学系１６は、レーザー光源１２から出射されたレーザー光Ｌを被測定物１４に向けるハーフミラー２４と、このハーフミラー２４を経たレーザー光Ｌを被測定物に照射してレーザー光スポットを形成する対物レンズ２６等から成る。また、撮像光学系１８は、対物レンズ２６とハーフミラー２４を共用し、ハーフミラー２４に入射し透過したレーザー光スポットの像に対して干渉縞を発生させる干渉部材である複屈折結晶２８と、複屈折結晶２８の両側に配置された偏光板３０，３２等から成る。
【００１２】
この実施形態では、偏光板３０、複屈折結晶２８、偏光板３２を経たレーザー光スポット像は、撮像素子２０上で干渉縞を形成する。そして、図１、図５に示すように、撮像素子２０による干渉縞の出力は計測装置本体３４に出力され、計測装置本体３４内で被測定物１４の位置が計算される。
【００１３】
この高さ位置計測方法は、撮像素子２０に入射するレーザー光スポット像は、図５に示すように、偏光板３０，３２と複屈折結晶２８により同心円状の干渉縞模様の像となり、被測定物１４から反射するレーザー光スポット像の位相が、被測定物１４の高さ位置により異なることを利用している。即ち、被測定物１４からの反射光を互いに直交した直線偏光に分け、それを撮像素子２０上で重ね合わせることにより生じる干渉縞を利用し、この干渉縞の間隔と数が被測定物の高さ位置により異なることにより、高さを計測する。
【００１４】
さらに、この実施形態の非接触式形状測定装置１０は、レーザー光Ｌを被測定物１４上で一方向に走査する走査装置４０を備えている。走査装置４０は、レーザー光Ｌに対して交差する方向であって水平な方向に対してわずかに傾斜した回転軸４２を有して設けられた透明光学部材であるガラス板４４と、このガラス板４４を揺動させるパルスモータ４６とを備える。ガラス板４４は、互いに平行な表裏面を有し、レーザー光Ｌが互いに平行な一面に入射し貫通して他方の面から入射光と平行な出射光として出て行く。このガラス板４４は回転軸４２に軸支され、回転軸４２はパルスモータ４６の回転軸に連結されている。ガラス板４４はレーザー光Ｌの光軸に対して直角には配置せず、ガラス面でのレーザー光Ｌの正反射光が撮像素子２０に戻らないようにしている。
【００１５】
パルスモータ４６は、モータ駆動装置であるパルスモータドライバ４８に接続され、所定の周期でガラス板４４を揺動運動させる。パルスモータドライバ４８は、コンピュータ５０に設けられた駆動制御部５２に接続され、所定の制御信号により制御される。コンピュータ５０は、本体５４と、モニタ５６とを備え、さらに図示しないＣＰＵ、記憶装置等を備えて、計測装置本体２２からの撮像信号を演算処理し、モニタ５６に画像処理した撮像情報を表示する。
【００１６】
さらに、計測ヘッド２２は、水平な一方向であって走査装置４０の走査方向と直交する方向にレーザー光Ｌを走査する走査装置６０に取り付けられている。走査装置６０は、計測ヘッド２２を一方向に移動させるもので、計測ヘッド２２を保持したリニア摺動装置６２と、このリニア摺動装置６２を水平方向に移動させるパルスモータ６６とを備える。パルスモータ６６は、それを駆動するパルスモータドライバ６８に接続され、このパルスモータドライバ６８も、駆動制御部５２に接続されている。
【００１７】
次に、この実施形態の非接触式形状測定装置１０によるレーザー光Ｌの走査方法について説明する。この実施形態では、互いに直交する２軸の方向の走査のうち一方向の走査を、パルスモータ４６によるガラス板４４の揺動により行い、他の方向の走査をパルスモータ６６とリニア摺動装置６２による計測ヘッド２２の移動でレーザー光Ｌを走査している。
【００１８】
ここで、ガラス板４４による走査の原理を説明する。図２，図３に示すように、ガラス板４４が回転軸４２回りに揺動すると、被測定物１４に対して垂直に照射されたレーザー光Ｌは、ガラス板４４で屈折して、ガラス板４４の傾きにより決まる所定の偏倚量ｄだけ平行移動する。ガラス板４４は両面が互いに平行な面であるので、入射光と出射光は互いに平行である。偏倚量ｄは、図３に示すように、ガラス板４４に対するレーザー光Ｌの入射角とガラス板４４の屈折率により求められる。
【００１９】
即ち、ガラス板４４の傾きをθ１、レーザー光Ｌの屈折角をθ２、ガラス板４４の厚みをｔ、ガラス板４４の屈折率をＮとすると、以下の式が成り立つ。
【００２０】
ｓｉｎθ１＝Ｎｓｉｎθ２・・（１）
ｄ＝ｔ・ｓｉｎ（θ１−θ２）／ｃｏｓθ２・・（２）
式（１）、（２）により、被測定物１４上でのレーザー光Ｌの移動量ｄは、ガラス板４４の傾きθ２とレーザー光Ｌの入射角θ１により定まる。
【００２１】
この実施形態の非接触式形状測定装置１０の動作作用は、被測定物１４の高さ位置の測定に際して、先ず基準位置においてキャリブレーションを行う。そして、コンピュータ５０の駆動制御部５２からの信号により、パルスモータドライバ４８，６８が駆動し、パルスモータ４６，６６が駆動する。このときのパルスモータ４６，６６の駆動は、駆動制御部５２内に記憶されたパルスモータ４６，６６の作動量の作動テーブル値により駆動される。
【００２２】
この作動テーブルは、例えば表１に示すように任意のステップにおいて、パルスモータ４６，６６駆動パルス数をセットすることができる。パルスモータ４６，６６の駆動は、一ステップ期間例えば１ｍｓｅｃ内に、駆動制御部５２から指示された駆動パルス数分の角度だけ揺動する。パルスモータ４６，６６は、１パルス当たりの回動角が、例えば０．３６°等に定められており、この駆動パルス数は各ステップ毎に任意に設定することができる。従って、一定の一ステップ期間内に任意の角度だけパルスモータ４６，６６を各々回動させることができる。さらに、駆動制御部５２からのトリガ信号は、各ステップに同期して計測装置本体３４に出力され、図示しない撮像素子ドライバをこのトリガ信号により制御する。従って、撮像素子２０は、パルスモータ４６，６６の駆動ステップに同期して、撮像及び読み出しの駆動がなされる。また、計測範囲外では走査を速めトリガ信号をＯＦＦにして撮像素子２０の出力をしない。そして、レーザー光Ｌが計測範囲に入ると、トリガ信号をＯＮにして、撮像素子２０の出力を開始すると共に、一ステップのパルス数を少なくして走査速度を落とし分解能を高くすることができる。
【００２３】
【表１】

レーザー光Ｌの走査は、ガラス板４４の一方向の１回の揺動により、例えばステップ１からステップｉまで走査し、その走査において、ステップ３までは移動を速めるために一ステップ期間内のパルス数を３とする。また、ステップ４から計測を開始するため、解像度を高くするために一ステップ毎にパルスモータ４６を一パルス分だけ揺動させる。このとき、撮像素子２０は、移動の期間のステップ２，３ではＯＦＦとし、ステップ４から撮像を開始し、各ステップ毎に撮像信号を計測装置本体３４に出力する。そして、上記一方向の揺動の端部であるステップｉの後、ステップｉ＋１で揺動方向を反転させる。表１では逆方向の移動のパルス数をマイナスとしている。同時に操作位置をパルスモータ６６により１パルス分移動させる。これにより、ガラス板４４の走査位置から所定の計測点の間隔分だけ平行移動した走査位置で、レーザー光Ｌの先の走査方向とは逆方向による走査が成される。この間もトリガ信号は各ステップ毎にＯＮしており、各ステップ毎に撮像素子２０の撮像信号が計測装置本体３４に出力される。さらに、任意のステップｉ＋ｊ及びその周辺の所定の範囲のステップで撮像のためのトリガ信号をＯＦＦにすることもできる。また、上記のようにガラス板４４の揺動とリニア摺動装置６２によるレーザー光Ｌの往復動作により、被測定物１４の所定の範囲の走査、計測が終了すると、表１に示すように、例えばｎ＋ｍステップにおいて、一ステップのパルス数を多くして、移動を速め走査を終了または、再度の走査に移行する。
【００２４】
従って、駆動制御部５２の制御により、撮像素子２０及びパルスモータ４６，６６を駆動して、任意の解像度で任意の計測範囲の測定が可能である。
【００２５】
計測した被測定物１４の高さデータは、計測装置本体３４から一ステップ毎にコンピュータ本体５４に送られ、図示しない処理装置により測定範囲のマトリクスデータが演算され記憶され、所定のプログラムに従って画像処理が施され、図６に示すように３次元画像としてモニタ５６に表示される。
【００２６】
この実施形態の非接触式形状測定装置１０による測定結果は、例えば、予め記憶した基準となる形状とのマッチング状態を演算し、所定値以上その計測データが外れている場合は、その被測定物が不良であると判断することができる。この他、この計測データの利用方法は適宜設定し得るものである。
【００２７】
この実施形態の非接触式形状測定装置１０は、透明光学部材であるガラス板４４の揺動により、被測定物１４に対して常時真上から垂直にレーザー光Ｌを照射することができ、被測定物１４に対して陰となる部分が生じにくく、正確な計測が可能である。レーザー光Ｌによるスポット像は、撮像光学系１８及び干渉部材である複屈折結晶２８等を介して撮像素子２０に送られ、正確に高さデータを得ることができる。しかも、装置が簡単であり、所定のテーブルに従ってレーザー光Ｌの走査を行っているので、処理速度が速い。
【００２８】
なお、この発明の非接触式形状測定装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、図７に示すように、透明光学部材であるガラス板４４を、レーザー光Ｌに対して交差する第一の回転軸４２と、この第一の回転軸４２の軸受が設けられた保持部材７０を軸支するとともに第一の回転軸４２と直交する第二の回転軸７２とにより軸支しても良い。この第一、第二の回転軸４２，７２により揺動自在に設けられた透明光学部材４４は、第一、第二の各回転軸４２，７２により、例えば回転軸４２の１／２周期毎に回転軸７２が所定角度揺動するようにして、上記実施形態と同様に、被測定物１４の所定の範囲を２次元的に走査することが可能である。この場合の駆動装置は、第一の回転軸４２の駆動は上記実施形態と同様のパルスモータ４６とパルスモータドライバ４８により行なわれ、第二の回転軸７２を中心とした駆動は、パルスモータ７４とパルスモータドライバ７６により行なう。パルスモータドライバ７６の制御もコンピュータ５０の駆動制御部５２に設けられた制御プログラムにより行なわれる。
【００２９】
なお、この実施形態の場合、ガラス板４４はレーザー光Ｌに対して直角になる場合があり、ガラス板４４の表面での正反射光の撮像素子２０への入射を防止するために、表面に反射防止膜を形成すると良い。
【００３０】
この実施形態によれば、上記実施形態のリニア摺動装置を設ける必要がなく、より高速での走査が可能となり、しかも装置をよりコンパクトなものとすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明の非接触式形状測定装置は、簡単な構造で、迅速に正確な計測が可能なもので、特に被測定物に対する陰ができにくく、凹凸のあるものを正確に計測可能となる。また、予め設定したテーブルによりレーザー光の走査を行うようにしたので、より迅速な操作が可能であり、処理速度の速い測定装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の非接触式形状測定装置の概略ブロック線図である。
【図２】この実施形態の計測ヘッドとガラス板の概略正面図（Ａ）と概略側面図（Ｂ）である。
【図３】この実施形態の非接触式形状測定装置のガラス板による走査の原理を説明する模式図である。
【図４】この実施形態の非接触式形状測定装置の計測ヘッドの概略を説明する断面図である。
【図５】この実施形態の非接触式形状測定装置の計測原理を説明する模式図である。
【図６】この実施形態の非接触式形状測定装置による測定結果を示す立体斜視図である。
【図７】この発明の他の実施形態の計測ヘッドとガラス板の概略正面図（Ａ）と概略側面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
１０非接触式形状測定装置
１２レーザー光源
１４被測定物
１６，１８光学系
２０撮像素子
２２計測ヘッド
２８複屈折結晶
３４計測装置本体
４０，６０走査装置
４２，７２回転軸
４４ガラス板
４６，６６，７４パルスモータ
４８，６８，７６パルスモータドライバ
５０コンピュータ
５２駆動制御部

Claims

レーザー光源と、このレーザー光源から発せられたレーザー光を被測定物に導く出射光学系と、上記被測定物に照射されたレーザー光のスポットを撮像する撮像光学系と、この撮像光学系を介して上記レーザー光のスポット像が通過する干渉部材と、この干渉部材による上記スポット光の干渉模様を撮す撮像素子と、上記撮像素子により捉えた上記レーザー光干渉模様を基に上記被測定物の形状を演算する計測装置と、上記レーザー光のスポットを上記被測定物上で走査する走査装置とを有する非接触式形状測定装置において、上記走査装置は、上記レーザー光に対して交差する回転軸を有して設けられ互いに平行な面を有し上記レーザー光が上記互いに平行な面に入射し貫通して入射光と平行な出射光として出て行く透明光学部材と、上記透明光学部材を所定の周期で上記回転軸を中心として揺動させる駆動装置と、上記透明光学部材の揺動と同期して上記撮像素子により上記レーザー光干渉模様を撮して転送する撮像素子ドライバとを備えたことを特徴とする非接触式形状測定装置。
上記透明光学部材の駆動装置はパルスモータであることを特徴とする請求項１記載の非接触式形状測定装置。
上記駆動装置と上記撮像素子ドライバは、各々同期して制御する駆動制御装置により制御され、この駆動制御装置は、上記パルスモータの作動量を記憶した作動テーブルを備え、この作動テーブルは、上記撮像素子による撮像範囲と、その撮像範囲での撮像点に関するデータを備え、上記作動テーブルによる情報で上記撮像素子を駆動する信号を上記撮像素子ドライバに出力することを特徴とする請求項１記載の非接触式形状測定装置。
上記透明光学部材は、上記レーザー光に対して交差する上記第一の回転軸と、この第一の回転軸の軸受が設けられた保持部材を軸支するとともに上記第一の回転軸と直交する第二の回転軸により揺動自在に設けられ、上記透明光学部材を上記第一、第二の各回転軸により所定の異なる周期で揺動させる駆動装置を設け、上記レーザー光スポットの走査を、上記透明光学部材の上記第一、第二の回転軸による揺動により２次元の走査を可能としたことを特徴とする請求項１記載の非接触式形状測定装置。