JP2004226160A

JP2004226160A - Appearance measuring instrument

Info

Publication number: JP2004226160A
Application number: JP2003012221A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Sugimura; 克弥杉村; Tokuo Nakahara; 徳雄中原
Original assignee: NIKKE KIKAI SEISAKUSHO KK
Current assignee: NIKKE KIKAI SEISAKUSHO KK
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: JP4289893B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an appearance measuring instrument having a simple structure and performing high-accuracy measurement. <P>SOLUTION: This instrument is equipped with a light pattern irradiation means for irradiating a striped light pattern P with light intensity periodically changing onto a surface of a measuring object M, a photographing means for photographing a picture image of the object M irradiated with the light pattern P from the irradiation means, and a displacement means for changing a relative positional relation between the object M and the light pattern P. The photographing means is structured so that at least three photographing domains can be set, the domains being disposed at intervals of periods different from the period of the light pattern P and extending in a direction crossing a direction that changes the positional relation. A calculation means is provided for performing calculation in order to obtain height information on respective regions of the object by a phase shift method based on light intensity distribution on at least three picture images photographed by the photographing means. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相シフト法を用いた外観計測装置に関し、特に、自動車部品、半導体電子部品その他の電子部品が実装されたプリント基板、または、プリント基板上に印刷されたクリーム半田などの良否を判定する外観計測装置に関する。なお、本発明に使用する位相シフト法とは、縞状の光パターンの位相を一周期分（−π〜π）だけ変化させながら複数枚の光パターンの画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める公知の方法である。この位相分布から計測対象物の高さ情報が得られる。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、位相シフト法を用いた立体的な計測対象物の外観形状を計測する種々の外観計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
これらの装置は、計測対象物上に縞状の光パターンを照射する照射装置と、縞状の光パターンが照射された計測対象物の画像を撮影する撮影装置と、この撮影装置によって撮影された画像に基づいて計測対象物の外観形状を演算する演算装置とを備える。このうち撮影装置には、通常、ＣＣＤ（固体撮像素子）イメージセンサを用いたラインセンサカメラ、または、公知の画像処理装置であるエリアセンサカメラが用いられているが以下のような課題がある。
【０００４】
エリアセンサカメラを使用する場合、撮影装置が１つのエリアセンサカメラを備え、照射装置に光パターンを移動させるための移動格子を取り付け、光パターンを計測対象物に対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像を撮影するように構成されているので、機械的な構造が複雑となっている。また、エリアセンサカメラにおいては、計測対象物の所定の部位の画像で処理が行える位相シフト法の場合でも、計測対象物の外観形状の検査に不要な撮影範囲に写っている全ての画像を取り込まなければならないので、撮影および演算処理に時間がかかるという課題がある。
【０００５】
一方、ラインセンサカメラは計測対象物の外観検査に必要な部位のみ撮影し、上記エリアセンサカメラのように計測対象物の外観形状の検査に不要な画像を取り込まないので演算処理の時間が短くなる。しかしながら、その構成として、例えば、撮影装置が少なくとも３つのラインセンサカメラを備え、計測対象物を光パターンに対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位対する少なくとも３つの画像を撮影するように構成されるか、撮影装置が少なくとも３つの画像を同一の感度で撮影することができる特殊な１つのラインセンサカメラを備え、計測対象物を光パターンに対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像を撮影するように構成されるので、ラインセンサカメラ本体の構造が複雑となる。また、測定精度を向上させるためにより多くのラインセンサカメラを設置して多くの画像を得ることが望ましいが、機械的な構造が複雑になること、および、４つ以上の画像を同一の感度で撮影することができる１つのラインセンサカメラが存在しないことから、ラインセンサカメラの設置個数が制限され、高い測定精度を得ることが難しいという課題がある。
【０００６】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる外観計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−８１９２４号公報（第４−５、第１図）
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る外観計測装置は、上記の課題を解決するために、光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを計測対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、光パターン照射手段からの光パターンが照射された計測対象物の画像を撮影する撮影手段と、計測対象物と光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段とを備えており、撮影手段は光パターンの周期と異なる周期の間隔で配置された、上記相対位置関係を変化させる方向と交差する方向に延びる少なくとも３つの撮影範囲を設定することが可能なように構成されており、撮影手段によって撮影された少なくとも３つの、この撮影範囲に対応する画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により計測対象物の各部位の高さ情報を得るべく演算する演算手段とを備えてなる。
【０００９】
この構成によれば、撮影手段の撮影範囲の設定を変更するだけで位相シフト法に必要な計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの光の強度（位相）の異なる光パターンが照射された場合の画像を得ることができる。従って、本発明に係る外観計測装置を用いれば、従来のラインセンサカメラを使用する場合のように構造が複雑にならない。また、撮影手段の撮影範囲を設定変更することにより撮影範囲の数を簡単に増やすことができる。これにより、計測対象物の同一部位に対する多くの画像を得ることが可能となる。そして、演算手段ではこれら多くの画像に基づいて計測対象物の高さが演算されるので、これにより得られた高さ情報は精度の高いものになる。なお、撮影手段としては、例えばＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサが使用される。
【００１０】
上記撮影手段の撮影範囲が計測対象物の外観形状に応じて設定変更可能に構成されてもよい。この構成では、撮影手段の撮影範囲が設定変更可能であるので、計測対象物の計測寸法に応じて拡大または縮小することが可能である。従って、大きな計測対象物の高さを計測する場合であっても、１つの撮影装置で対応することができるので構造が簡単になる。また、小さな計測対象物にあっては計測に不要な撮影を防止することができるので、演算手段の処理速度を向上させることが可能となる。
【００１１】
上記変位手段が、計測対象物に対して光パターン照射手段および撮影手段を、または、光パターン照射手段および撮影手段に対して計測対象物を変位可能に構成されてもよい。これにより、従来の、光パターン照射手段に移動格子を取り付けて光パターンを計測対象物に対して移動させる場合に比べて構造が簡単になる。
【００１２】
上記光パターン照射手段の光パターンが、上記変位手段の変位方向に沿って正弦波状に光の強度が変化するように構成されてもよい。これにより、位相シフト法による高さ情報を得るための演算を簡易なものとすることができ、演算手段の処理速度を速くすることも可能となる。
【００１３】
上記光パターン照射手段が、複数の周期を有する光パターンを照射可能に構成されてもよい。この構成では、各周期の光パターンの一周期から得られる情報量が同じである場合、複数の周期を有する光パターンのうち短周期の光パターンによる高さ情報の分解能（計測精度）は長周期の光パターンより高くなる。従って、これらの高さ情報を組み合わせることにより互いに高さ情報を補間することが可能となる。これにより、複雑な形状の計測対象物であっても計測対象物の高さを精度良く計測することができる。
【００１４】
上記演算手段が、撮影手段によって撮影された画像に基づいて上記複数の周期の光パターンの位相を計算する位相計算手段と、該位相計算手段によって計算された各位相を接続する位相接続手段とを備えており、該位相接続手段が、一の周期の光パターンの位相を参照しながら他の周期の光パターンの位相を接続するように構成されてもよい。
【００１５】
この構成では、短周期（一の周期）の光パターンの位相を参照しながら長周期（他の周期）の光パターンの位相を接続したり、長周期の光パターンの位相を参照しながら短周期の光パターンの位相を接続することができる。これにより、段差などの不連続部分のある計測対象物であっても光パターンの位相接続を適切に行うことができ、計測対象物の正確な高さ情報を求めることができる。これは、光パターンの周期が異なるため計測対象物の段差部分で短周期の光パターンの位相が重なり合っても（いわゆる、位相飛びを起こしても）長周期の光パターンの位相が同時に重なり合うことがないことによる。
【００１６】
上記演算手段が、撮影手段によって撮影された計測対象物の同一部位に対する少なくとも３つの画像上の光の強度分布から該部位の高さ情報を得るべく演算する第１演算処理テーブルをさらに備えるように構成されてもよい。この構成では、第１演算処理テーブルを参照することにより計測対象物の各部位の高さ情報を得ることができる。従って、高さ情報を迅速に得ることが可能となる。
【００１７】
上記演算手段が、一の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するための第２演算処理テーブルをさらに備えてもよい。この構成では、第２演算処理テーブルを参照することにより位相接続を正確に、かつ、迅速に行うことができる。これにより、正確な高さ情報を迅速に得ることが可能となる。
【００１８】
上記演算手段が該演算手段によって演算された計測対象物の高さ情報に基づいて該計測対象物の良否を判定する判定手段をさらに備えており、該判定手段が、予め設定された基準となる計測対象物の各部の高さ情報と、検査対象となる計測対象物を撮影して得られた画像から演算された該計測対象物の各部の高さ情報との相違に基づいて計測対象物の良否を判定するように構成されてもよい。
【００１９】
この構成では、判定手段を備えるので計測対象物の良否を簡単に判定することができる。なお、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報として、撮影装置により予め撮影された基準となる計測対象物の画像情報、基準となる計測対象物のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）変換データ、または、ユーザによる入力データなどに基づいて予め演算され設定されたものを使用する。従って、計測対象物の設計変更などにも極めて簡単に対応することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る外観計測装置の構成を示すブロック図である。
この外観計測装置は、縞状の光パターンＰを計測対象物Ｍの表面上に照射する光パターン照射装置１と、この光パターン照射装置１からの光パターンＰが照射された計測対象物Ｍの画像を撮影する撮影装置２と、この撮影装置２によって撮影された画像に基づいて位相シフト法により計測対象物Ｍの各部位の高さ情報を得るべく演算する演算処理装置３と、計測対象物Ｍと光パターンＰとの相対位置関係を変化させる変位装置Ｔとを備えている。
【００２２】
この変位装置Ｔは、計測対象物Ｍを搭載するテーブル４と、このテーブル４を一方向（図１の矢符Ｘ方向）に所定の速度で直線移動させる駆動機構５と、この駆動機構５を駆動させるモータ６と、このモータ６に電源を供給し駆動させるモータ駆動装置７とを備える。
【００２３】
テーブル４はリニアガイド（図示せず）によって水平に支持されたスライダなどからなる。駆動機構５はボールねじまたはベルトなどからなり、テーブル４とモータ６とを連結してモータ６の回転動作をテーブル４の直線移動に変えるため使用される。従って、モータ６の駆動によりテーブル４に搭載された計測対象物Ｍは一方向に直線移動させることが可能となる。なお、モータ６として位置決めが容易なサーボモータなどを使用することが望ましい。また、テーブル４はリニアモータによって直線移動させるように構成されてもよい。
【００２４】
光パターン照射装置１は格子投影器であり、テーブル４の表面の法線方向に対して計測対象物Ｍの移動方向に所定の角度だけ傾斜させた方向（図１の矢符Ｌ方向）、すなわち、計測対象物Ｍの移動方向側の斜め上方から計測対象物Ｍの表面に光パターンＰを照射するように配置されている。光パターンＰはレーザ干渉縞などである。
【００２５】
図２は光パターン照射装置からテーブル上に照射された光パターンの一例を示している。図示するように光パターンＰは計測対象物Ｍの移動方向に縞状に配され、全体が楕円形状をなしている。なお、ここでは、光パターンＰの形状を楕円形状にしているがこれに限定するものではない。例えば、矩形状であっても構わない。これにより、光パターンＰを照射する範囲を拡大することができる。この縞状の光パターンＰは計測対象物Ｍの移動方向に対して後側半分の部分には周期（ピッチ）Ｐ１の第１光パターンＰＰ１が形成され、前側半分の部分には周期（ピッチ）Ｐ２の第２光パターンＰＰ２が形成されている。ここでは、Ｐ２＝Ｐ１ｘ８になるように設定されている。このように複数の周期Ｐ１、Ｐ２の光パターンＰを用いるのは、計測対象物Ｍの形状変化が大きい場合にもその形状を精度良く求めるためである。詳細は後述する。
【００２６】
なお、ここでは、２つの周期Ｐ１、Ｐ２の光パターンＰを設定しているが、計測対象物Ｍの形状に応じて１または３以上の周期の光パターンＰを設定しても構わない。具体的には、例えば、計測対象物Ｍの形状変化が緩やかな場合には１つの周期の光パターンＰを使用し、計測対象物Ｍの形状変化が急激である場合（例えば、段差がある場合）には複数の周期の光パターンＰを使用する。
【００２７】
また、図示されていないが光パターンＰは位相シフト法による高さ情報の演算を簡易にするため一周期で光の強度が正弦波状に変化するように設定されている。
【００２８】
撮影装置２は、テーブル４の上方に、テーブル４に対向して配置され、図２に示すように予め設定された所定の撮影範囲２０を撮影することができるようになっている。この撮影範囲２０は計測対象物Ｍの形状に応じて適宜設定される。
【００２９】
また、この撮影範囲２０内には、上記光パターンの周期Ｐ１、Ｐ２とそれぞれ異なる周期の間隔で配置された、計測対象物Ｍの移動方向に対して交差する方向に延びる少なくとも３つの撮影範囲が設定されている。
【００３０】
そして、撮影装置２は、計測対象物Ｍの表面上の同一部位が各撮影範囲の真下にきたときに計測対象物Ｍの表面上の同一部位を撮影するように構成されている。そのため、撮影装置２は、計測対象物Ｍの移動に同期して予め設定された回数の撮影を行うことができるように構成されている。詳細は後述する。これにより、計測対象物Ｍの同一部位に異なる光パターンＰが照射された少なくとも３つの画像を撮影することができる。
【００３１】
以上のような撮影装置２として、例えばＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサが使用される。このＣＭＯＳイメージセンサカメラでは、撮影範囲を任意に設定することができるので、撮影範囲の数は３つに限定されることはない。従って、計測対象物Ｍの外観形状（高さ）の測定精度を向上させるためにさらに多くの撮影範囲を設定することも可能である。
【００３２】
演算処理装置３は、入力部３０、演算部３１、記憶部３２、および出力部３３を備えており、これらは配線を介してそれぞれ接続されている。また、演算処理装置３は、撮影装置２の撮影画像取込開始信号を出力するカウント比較装置８と、テーブル４の位置を決める位置決め装置９とにそれぞれ配線を介して接続されている。また、上述したモータ６にはテーブル４の現在位置を計測するための位置センサ９ａが取り付けられており、この位置センサ９ａは位置決め装置９に配線を介して接続されている。
【００３３】
入力部３０は撮影装置２およびカウント比較装置８に接続されており、撮影装置２からの画像情報、および、カウント比較装置８からの画像取込開始情報が入力されるようになっている。入力部３０には、論理回路からなる演算処理テーブル３０ａが組み込まれている。この演算処理テーブル３０ａは撮影装置２からの画像情報に基づいて計測対象物Ｍの各部位の高さ情報を得るべく演算する機能などを備える。さらに、入力部３０は演算処理テーブル３０ａで得られた高さ情報を演算部３１に出力可能に接続されている。なお、ここでは、入力部３０が演算処理テーブル３０ａを備えるが、演算処理テーブル３０ａを記憶部３２に設けてもよい。
【００３４】
演算部３１はマイクロプロセッサを主体に構成されており、記憶部３２はリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含み、演算部３１の動作手順を規定するプログラム、または、演算部３１によって処理されるべきデータを記憶する。
【００３５】
演算部３１は、計測対象物Ｍの移動と撮影装置２の撮影とを同期させるため予め記憶部３２に記憶されたテーブル４の移動位置および移動速度を出力部３３を介して位置決め装置９に送信するように構成されている。この位置決め装置９は、受信したテーブル４の移動位置をモータ駆動装置７に送信するように構成されている。これにより、位置決め装置９からのテーブル４の移動位置および移動速度に基づいてモータ駆動装置７はモータ６を駆動させ、これによってテーブル４は駆動機構５を介して一方向に移動せしめられる。
【００３６】
同時に、演算部３１は、計測対象物Ｍの移動と撮影装置２の撮影とを同期させるため予め記憶部３２に記憶された画像取込開始位置を出力部３３を介してカウント比較装置８に送信するように構成されている。このカウント比較装置８は、画像取込開始位置と、位置センサ９ａから位置決め装置９を介して送信された移動中のテーブル４の現在位置とを比較して、テーブル４の現在位置が画像取込開始位置と一致したときに上記入力部３０に画像取込開始情報を出力するようになっている。これにより、演算部３１が前記画像取込開始情報に基づいて撮影装置２からの画像情報を入力部３０に取込開始させる。
【００３７】
以上のように計測対象物Ｍの移動と撮影装置２の撮影とを同期させることにより計測対象物Ｍの表面上の所定の部位と撮影した画像情報との対応付けがなされる。
【００３８】
また、演算部３１は、上記演算処理テーブル３０ａからの計測対象物Ｍの各部位の高さ情報と、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報とを比較して、これらの差が所定の値を超えるか否かによって計測対象物Ｍの良否を判定するように構成されている。この判定結果は表示装置（図示せず）などに表示されるようになっている。なお、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報は、撮影装置２により予め撮影された基準となる計測対象物Ｍの画像情報、基準となる計測対象物のＣＡＤ（コンピュータ支援設計）変換データ、または、ユーザによる入力データなどに基づいて演算されており記憶部３２に記憶されている。
【００３９】
以上のように構成された外観計測装置の作用について図３〜図６を用いて説明する。なお、本実施形態では外観計測装置に使用される演算処理装置３は８ビット（２５６個）の高さ情報を処理することができるものとする。ただし、この情報量は計測対象物Ｍの外観形状を計測する精度、計測処理速度または設備費用などに応じて適宜設定されるものであり、この数値に限定されるものではない。
【００４０】
図３は光パターン照射装置から計測対象物に光パターンが照射される状態を模式的に示す側面図である。図示するように、まず、光パターン照射装置１より異なる２つの周期Ｐ１、Ｐ２の光パターンＰ（図２参照）がテーブル４の表面の法線方向に対して計測対象物Ｍの移動方向に所定の角度αだけ傾斜させた方向から計測対象物Ｍに照射される。上述したように異なる周期Ｐ１、Ｐ２はＰ２＝Ｐ１ｘ８に設定されている。具体的に、例えば、Ｐ１＝１ｍｍとするとＰ２＝８ｍｍとなる。なお、ここでは、Ｐ２＝Ｐ１ｘ８に設定されているが、計測対象物Ｍの形状に応じてＰ２＝Ｐ１ｘ２からＰ２＝Ｐ１ｘ１２８の間の偶数倍に設定されてもよい。この点に関しては後述する。
【００４１】
撮影装置２は、変位装置Ｔによって一方向（図１のＸ方向）に移動する計測対象物Ｍの表面上の同一部位が予め設定された各撮影範囲２０（図２参照）の真下にきたときに計測対象物Ｍの表面上の同一部位を撮影する。この撮影範囲２０としては、例えば、幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍの計測対象物Ｍを計測する場合には、幅２２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ程度に設定される。従って、周期Ｐ１（１ｍｍ）の第１光パターンＰＰ１では撮影装置２によって２０周期分が同時に撮影される。周期Ｐ２（８ｍｍ）の第２光パターンＰＰ２では撮影装置２によって２周期分が同時に撮影される。実際には、このように撮影装置２によって撮影された画像のうち位相シフト法による高さ情報の演算に必要な画像のみを適宜選択し、その画像に基づいて計測対象物Ｍの高さが演算される。
【００４２】
さらに、この撮影範囲には、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の周期Ｐ１、Ｐ２と異なるように撮影範囲が設定される。上述したように位相シフト法では計測対象物Ｍの同一部位に対する少なくとも３つの光強度の光パターンＰが照射された画像が必要であるので、例えば、光パターンＰの一周期に対してこの撮影範囲を４つ設定すると、Ｐ１＝１ｍｍの第１光パターンＰＰ１では０．２５ｍｍ間隔で撮影範囲が設定され、Ｐ２＝８ｍｍの第２光パターンＰＰ２では２ｍｍ間隔で撮影範囲が設定される。そして、撮影装置２がこの各撮影範囲に対応する計測対象物Ｍの表面上の画像を撮影する。
【００４３】
なお、上述の撮影範囲は一例であり、計測対象物Ｍの形状、光パターンの周期の数、計測対象物Ｍの同一部位に対する光強度の異なる光パターンが照射される画像の数などに応じて適宜設定される。
【００４４】
撮影装置２が撮影した画像は、画像情報として入力部３０に入力される。そして、入力部３０の演算処理テーブル３０ａは画像情報に基づいて位相シフト法により計測対象物Ｍの高さ情報（高さ）を得るべく演算する。
【００４５】
図３を参照して、この計測対象物Ｍの高さＨ１は、下式（数１）より求めることができる。
【００４６】
【数１】
ｔａｎα＝Ｄ１／Ｈ１
なお、Ｄ１は、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２が計測対象物Ｍに照射されるか否かにより第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の縞が計測対象物Ｍの移動方向（図３の矢符Ｘ方向）に変位せしめられる量（第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の位相ずれに対応する変位量）である。この変位量Ｄ１は位相シフト法により求められる。また、αは、テーブル４の表面の法線方向に対する第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の照射角度である。
【００４７】
以上より、（数１）において、例えば、α＝４５°とすると、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２のそれぞれの周期Ｐ１、Ｐ２に対応する計測可能高さＨ１ｍａｘ、Ｈ２ｍａｘは光パターンＰの周期Ｐ１、Ｐ２にそれぞれ等しくなる。その理由は、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の隣り合う縞が重なる限界の変位量Ｄ１がそれぞれの周期Ｐ１、Ｐ２であり、これを超えると変位した第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の縞が変位する前のどの縞のものに対応するのか区別することができないからである。具体的には、Ｐ１＝１ｍｍの場合、Ｈ１ｍａｘ＝Ｐ１となりＨ１ｍａｘ＝１ｍｍとなる。同様に、Ｐ２＝８ｍｍの場合、Ｈ２ｍａｘ＝Ｐ２となりＨ２ｍａｘ＝８ｍｍとなる。
【００４８】
また、この場合の高さ情報の分解能は、演算処理装置３が光パターンＰの一周期に対して８ビット（２５６個）の高さ情報を処理することができるので、例えば、第１光パターンＰＰ１の分解能Ｈ１ｒｅｓは、Ｈ１ｒｅｓ＝Ｈ１ｍａｘ／２５６＝３．９０６２５マイクロメートルとなる。同様に、第２光パターンＰＰ２の分解能Ｈ２ｒｅｓは、Ｈ２ｒｅｓ＝Ｈ２ｍａｘ／２５６＝３１．２５マイクロメートルとなる。
【００４９】
以上のように第１光パターンＰＰ１を計測対象物Ｍに照射する場合、これに対応する計測可能高さＨ１ｍａｘは小さいが分解能が高くなる。その結果、第１光パターンＰＰ１の周期Ｐ１、すなわち計測可能高さＨ１ｍａｘより測定対象物Ｍの実際の高さの変化量が大きい場合には、上述したように変位量Ｄ１も測定可能高さＨ１ｍａｘを超えるので、第１光パターンＰＰ１の１つの縞が周期Ｐ１を超えて大きく計測対象物Ｍの移動方向に変位して他の縞と重なり合う。これにより、計測対象物Ｍの正確な高さを得ることができない。一方、第２光パターンＰＰ２を計測対象物Ｍに照射する場合、第２光パターンＰＰ２に対応する計測可能高さは大きいがその代わり分解能が低くなる。それゆえ、計測対象物Ｍの全体の外観形状の変化は把握することはできるが精度の高い計測結果を得ることはできない。そこで、本実施形態では、第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２を組み合わせることにより、第２光パターンＰＰ２を用いて計測対象物Ｍの全体形状の変化を把握し、第１光パターンＰＰ１を用いて計測精度の向上を図っている。以下、さらに詳細に説明する。
【００５０】
図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る外観計測装置を用いて計測対象物Ｍの一部位の高さを計測して得られた結果の一例を示す図である。図中横軸は第１および第２光パターンＰＰ１、ＰＰ２の周期Ｐ１、Ｐ２にそれぞれ対応する計測対象物Ｍの第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘおよび第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘである。この第１および第２高さ階調Ｈ１ｈｅｘ、Ｈ２ｈｅｘはそれぞれ上記変位量Ｄ１から求められるものであり、第１および第２光パターンＰＰ１，ＰＰ２の一周期（−π〜π）の光の強度分布を２５６個に変換した値（０〜２５５）である。縦軸は計測対象物Ｍの高さである。
【００５１】
図４（ａ）に示すように第１光パターンＰＰ１に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１２は０〜１ｍｍの間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化する。また、これに対応する第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘも０〜２５５の間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化する。一方、第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３は０〜８ｍｍの間で計測対象物Ｍの移動方向に対して変化する。また、これに対応する第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘも０〜２５５の間で計測対象物Ｍの移動方向に対して変化する。
【００５２】
なお、ここでは、第２光パターンＰＰ２の一周期Ｐ２分のみを示しているが、これも第１光パターンＰＰ１同様、第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３は０〜８ｍｍの間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化し、これに対応する第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘも０〜２５５の間で計測対象物Ｍの移動方向に対して繰り返し変化する。また、ここでは、計測対象物Ｍの高さが単調に増加する場合を示している。
【００５３】
図４（ｂ）は図４（ａ）中の破線で示す範囲ＢＢを拡大して示した図である。第１光パターンＰＰ１に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１２は第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘの増加に従って増加する。そして、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘが２５５になったときに計測対象物Ｍの高さＨ１２が１ｍｍになり、これを超えると第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘが０になり計測対象物Ｍの高さＨ１２も０ｍｍになる。しかし、これに対応する第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３は、第２光パターンＰＰ２の計測可能高さＨ２ｍａｘが第１光パターンＰＰ１に比べて大きいので第１光パターンＰＰ１のように０ｍｍになることはなく計測対象物Ｍの実際の高さになる。従って、第２光パターンＰＰ２に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１３を参照すれば各周期ごとの第１光パターンＰＰ１に対応する計測対象物Ｍの高さＨ１２をそれぞれ正確に接続（位相接続）することが可能となり、これにより計測対象物Ｍの正確な高さを得ることができる。このように計測対象物Ｍの正確な高さを得るためには、正確な位相接続が行われることが重要である。以下に、より具体的に説明する。
【００５４】
図５は、計測対象物Ｍの高さ（例えば、０．０１、０．９８、０．９９、１．００、１．０１および７．９９ｍｍ）に対応する第１および第２高さ階調の演算結果を示す図である。図示するように、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘのみの場合、計測対象物Ｍの高さＨ１２が０．０１ｍｍと１．０１ｍｍとに対応する第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘがいずれも２となり区別が付かない。しかしながら、この結果に第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘの結果を反映すると計測対象物Ｍの高さＨ１２が０．０１ｍｍと１．０１ｍｍとに対応する第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘがそれぞれ０および３２となり区別することが可能となる。このようにして正確な位相接続（計測対象物Ｍの高さＨ１２が１．００ｍｍから０．０１ｍｍではなく１．０１ｍｍになる）が実施される。その結果、計測対象物Ｍの正確な高さが求められる。
【００５５】
また、計測対象物Ｍの高さを計測中に誤差が発生することにより計測対象物Ｍの高さＨ１３が０．９９ｍｍで第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＝２５３、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝３２になった場合であっても、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘに基づいて正しい第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘを求めることができる。詳細は後述する。これにより、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘの正確な位相接続が実施され、その結果計測対象物Ｍの正確な高さが求められる。
【００５６】
次に、上記処理をさらに具体的に図６に基づいて説明する。図６は、本発明の一実施形態に係る外観計測装置の高さを演算処理するフロー図を示す。
【００５７】
撮影装置２が計測対象物Ｍを撮影する（Ｓ１）。この撮影装置２から入力部３０に入力された画像情報に基づいて演算処理テーブル３０ａが上記（数１）に示す変位量Ｄ１を算出する（Ｓ２、Ｓ４）。ステップＳ２では、第１光パターンＰＰ１に対応する変位量Ｄ１を算出する。ステップ４では、第２光パターンＰＰ２に対応する変位量Ｄ１を算出する。その後、それぞれの変位量Ｄ１から第１および第２高さ階調Ｈ１ｈｅｘ、Ｈ２ｈｅｘを算出する（Ｓ３、Ｓ５）。
【００５８】
その後、Ｈ１ｈｅｘ＞５であるか否か判定する（Ｓ６）。ステップＳ６においてＨ１ｈｅｘ＞５でない場合、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数であるか否か判定する（Ｓ７）。ステップＳ７において、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数でない場合にはＨ２ｈｅｘ＝Ｈ２ｈｅｘ＋１に置き換え（Ｓ８）、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数である場合にはそのままの数字としてステップＳ１２にて処理される。また、ステップＳ６においてＨ１ｈｅｘ＞５である場合には、Ｈ１ｈｅｘ＜２５０であるか否か判定する（Ｓ９）。
【００５９】
ステップＳ９において、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＜２５０でない場合には第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが奇数であるか否か判定する（Ｓ１０）。ステップＳ１０において、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが奇数でない場合には第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝Ｈ２ｈｅｘ−１に置き換え（Ｓ１１）、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが奇数である場合にはそのままの数字としてステップＳ１２にて処理される。また、ステップＳ９において、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＜２５０である場合には第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘと第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘとで精度が高くなったＨ２ｈｅｘがステップＳ１２で生成される。以上のステップＳ６〜Ｓ１１に従えば、例えば、上述した計測対象物Ｍの高さを計測中に誤差が発生することにより計測対象物Ｍの高さＨ１３が０．９９ｍｍで第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＝２５３、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝３２になった場合であっても、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ＝２５３（Ｓ９）且つ第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘが偶数（Ｓ１０）であるので、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝Ｈ２ｈｅｘ−１（Ｓ１１）となり正しい第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ＝３１（図５参照）を導くことができる。
【００６０】
ステップＳ１２では、上述した第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）と第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（８ビット）とが合成されて、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（１１ビット）が求められる。この場合、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）と第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（８ビット）との同一項が５ビットあるため第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘの上位３ビットが第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘと異なる。これにより、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）と第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（３ビット）とが合成され、第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘは１１ビットになる。そして、ステップＳ１２において得られた高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（１１ビット）に基づいて計測対象物Ｍの高さが算出される。その結果、８ビットの情報に基づいた計測対象物Ｍの高さ情報に比べて精度の高い高さ情報が得られる。なお、ここでは、光パターンＰの異なる周期の関係がＰ２＝Ｐ１ｘ８である場合を示しているが、Ｐ２＝Ｐ１ｘ１２８の場合には、第１高さ階調Ｈ１ｈｅｘ（８ビット）および第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘ（８ビット）の同一項が１ビットであるので、これらを合成すると１５ビットの第２高さ階調Ｈ２ｈｅｘになる。
【００６１】
上記ステップＳ２、Ｓ４が位相計算手段を構成し、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６〜Ｓ１１が位相接続手段を構成する。上記演算処理テーブル３０ａが第１演算処理テーブルを構成する。
【００６２】
また、上記位相接続手段を第２演算処理テーブルに置き換えてもよい。これにより演算処理速度の向上を図ることが可能となる。
【００６３】
また、上述したステップＳ６〜Ｓ１１において第２高さ階調が偶数であるか奇数であるかを判定する工程があるので周期Ｐ１、Ｐ２の関係は一方の周期に対して他方の周期を偶数倍としている。従って、情報量が８ビット（２５６個）である場合、周期Ｐ２はＰ２＝Ｐ１ｘ２からＰ２＝Ｐ１ｘ１２８の間で調整される。もちろん、情報量が８ビットでない場合には、その情報量に基づいて設定される。例えば、情報量が４ビット（１６個）の場合、Ｐ２＝Ｐ１ｘ２からＰ２＝Ｐ１ｘ８の間で調整される。
【００６４】
さらに、演算処理装置３では、以上のようにして演算された計測対象物Ｍの各部位の高さ情報と、基準となる計測対象物Ｍの各部位の高さ情報とを比較して、これらの差が所定の値を超えるか否かによって計測対象物Ｍの良否を判定する。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る外観計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】光パターン照射装置からテーブル上に照射された光パターンの一例を示す図である。
【図３】光パターン照射装置から計測対象物に光パターンが照射される状態を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る外観計測装置を用いて計測対象物の高さを計測して得られた結果の一例を示す図である。
【図５】計測対象物の高さに対応する第１および第２高さ階調の演算結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る外観計測装置が計測対象物の高さを演算処理するフロー図を示す。
【符号の説明】
１光パターン照射装置
２撮影装置
３演算処理装置
４テーブル
５駆動機構
６モータ
７モータ駆動装置
８カウント比較装置
９位置決め装置
９ａ位置センサ
Ｍ計測対象物
Ｐ光パターン
Ｔ変位装置
３０ａ演算処理テーブル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an appearance measuring device using a phase shift method, and particularly, determines the quality of a printed circuit board on which an automobile component, a semiconductor electronic component or other electronic components are mounted, or cream solder printed on the printed circuit board. The present invention relates to an appearance measuring device. Note that the phase shift method used in the present invention means that a plurality of light pattern images are captured while changing the phase of the striped light pattern by one period (−π to π), and a plurality of obtained light patterns are obtained. This is a known method for obtaining a phase distribution from an image. From this phase distribution, height information of the measurement object is obtained.
[0002]
Problems to be solved by the prior art and the invention
2. Description of the Related Art Conventionally, various appearance measurement devices that measure a three-dimensional appearance of a measurement object using a phase shift method have been proposed (for example, see Patent Literature 1).
[0003]
These devices are an irradiation device that irradiates a striped light pattern on the measurement target, an imaging device that captures an image of the measurement target that is irradiated with the striped light pattern, and an image captured by the imaging device. A calculating device for calculating the external shape of the measurement target based on the image. Of these, a line sensor camera using a CCD (solid-state imaging device) image sensor or an area sensor camera, which is a known image processing device, is usually used for the imaging device, but has the following problems.
[0004]
When using an area sensor camera, the imaging device is provided with one area sensor camera, a moving grid for moving the light pattern is attached to the irradiation device, and the imaging device is moved by moving the light pattern with respect to the measurement target. Since it is configured to capture at least three images of the same part of the measurement target, the mechanical structure is complicated. In addition, even in the case of the phase shift method, in which the area sensor camera can perform processing on an image of a predetermined portion of the measurement target, all images in an imaging range unnecessary for inspection of the external shape of the measurement target are captured. Therefore, there is a problem that it takes time to perform photographing and arithmetic processing.
[0005]
On the other hand, the line sensor camera photographs only a part necessary for the appearance inspection of the measurement object, and does not take in an unnecessary image for the inspection of the appearance shape of the measurement object unlike the area sensor camera, so that the calculation processing time is shortened. . However, as the configuration, for example, the imaging device includes at least three line sensor cameras, and the imaging device captures at least three images of the same portion of the measurement target by moving the measurement target with respect to the light pattern. Or a special one line sensor camera capable of taking at least three images with the same sensitivity, and moving the measuring object with respect to the light pattern, Since the configuration is such that at least three images of the same part of the measurement target are captured, the structure of the line sensor camera body is complicated. It is also desirable to obtain more images by installing more line sensor cameras in order to improve measurement accuracy, but the mechanical structure is complicated, and four or more images can be obtained with the same sensitivity. Since there is no single line sensor camera capable of capturing an image, the number of line sensor cameras to be installed is limited, and there is a problem that it is difficult to obtain high measurement accuracy.
[0006]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its object to provide an appearance measuring device that has a simple structure and can perform highly accurate measurement.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-81924 (FIG. 4-5, FIG. 1)
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, an appearance measurement device according to the present invention includes a light pattern irradiation unit that irradiates a striped light pattern in which the intensity of light periodically changes on a surface of a measurement target, and a light pattern irradiation unit. The imaging device includes an imaging unit that captures an image of the measurement target irradiated with the light pattern from the irradiation unit, and a displacement unit that changes a relative positional relationship between the measurement target and the light pattern. It is configured such that it is possible to set at least three shooting ranges that are arranged at intervals of a cycle different from the cycle and extend in a direction intersecting with the direction in which the relative positional relationship is changed, and the shooting range is set by the shooting unit. Calculating means for calculating at least three pieces of height information of each part of the measurement object by a phase shift method based on the light intensity distribution on the image corresponding to the photographing range; That.
[0009]
According to this configuration, a light pattern having at least three different light intensities (phases) is irradiated on the same portion of the measurement target required for the phase shift method only by changing the setting of the imaging range of the imaging unit. Images can be obtained. Therefore, when the appearance measuring device according to the present invention is used, the structure is not complicated as in the case where a conventional line sensor camera is used. Further, by changing the setting of the photographing range of the photographing means, the number of photographing ranges can be easily increased. Thus, it is possible to obtain many images for the same part of the measurement target. Then, since the height of the measurement object is calculated based on these many images by the calculation means, the height information obtained thereby has high accuracy. In addition, as a photographing unit, for example, a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) image sensor is used.
[0010]
The imaging range of the imaging means may be configured to be changeable according to the external shape of the measurement target. In this configuration, since the photographing range of the photographing means can be changed, it is possible to enlarge or reduce the photographing range according to the measurement size of the measurement object. Therefore, even when measuring the height of a large measurement object, the structure can be simplified because one imaging device can cope with the measurement. Further, in the case of a small measurement object, unnecessary photographing for measurement can be prevented, so that the processing speed of the calculation means can be improved.
[0011]
The displacement means may be configured to be able to displace the light pattern irradiating means and the photographing means with respect to the measuring object, or to displace the measuring object with respect to the light pattern irradiating means and the photographing means. This simplifies the structure as compared with the conventional case in which a moving grating is attached to the light pattern irradiation unit and the light pattern is moved with respect to the measurement target.
[0012]
The light pattern of the light pattern irradiating means may be configured such that the light intensity changes in a sinusoidal manner along the displacement direction of the displacement means. As a result, the operation for obtaining the height information by the phase shift method can be simplified, and the processing speed of the operation means can be increased.
[0013]
The light pattern irradiation means may be configured to be able to irradiate a light pattern having a plurality of periods. In this configuration, when the information amount obtained from one cycle of the light pattern in each cycle is the same, the resolution (measurement accuracy) of the height information by the short cycle light pattern among the light patterns having a plurality of cycles is long cycle. Light pattern. Therefore, it is possible to interpolate the height information by combining these height information. Thereby, even if the measurement target has a complicated shape, the height of the measurement target can be accurately measured.
[0014]
The calculation means includes: phase calculation means for calculating the phases of the plurality of periods of the light pattern based on an image captured by the imaging means; and phase connection means for connecting the phases calculated by the phase calculation means. And the phase connection means may be configured to connect the phase of the light pattern of another cycle while referring to the phase of the light pattern of one cycle.
[0015]
In this configuration, the phase of a long-period (other period) optical pattern is connected while referring to the phase of a short-period (one period) optical pattern, or the short-period is referenced while referring to the phase of a long-period optical pattern. Can be connected to each other. Accordingly, even if the measurement target has a discontinuous portion such as a step, the phase connection of the light pattern can be appropriately performed, and accurate height information of the measurement target can be obtained. This is because even if the phases of the short-period light patterns overlap at the stepped part of the measurement object because the periods of the light patterns are different (so-called phase jumps occur), the phases of the long-period light patterns may simultaneously overlap. It depends.
[0016]
The calculation means may further include a first calculation processing table for calculating height information of the portion from at least three images on the same portion of the measurement object photographed by the photographing device from the intensity distribution of the light. It may be configured. With this configuration, the height information of each part of the measurement target can be obtained by referring to the first arithmetic processing table. Therefore, height information can be obtained quickly.
[0017]
The calculation means may further include a second calculation processing table for connecting each phase of the light pattern of another cycle while referring to each phase of the light pattern of one cycle. In this configuration, phase connection can be performed accurately and quickly by referring to the second arithmetic processing table. This makes it possible to quickly obtain accurate height information.
[0018]
The calculating means further includes a judging means for judging the quality of the measuring object based on the height information of the measuring object calculated by the calculating means, and the judging means serves as a preset reference. The height information of each part of the measurement target and the height of each part of the measurement target based on the difference between the height information of each part of the measurement target calculated from an image obtained by photographing the measurement target to be inspected. It may be configured to determine pass / fail.
[0019]
In this configuration, the determination unit is provided, so that the quality of the measurement target can be easily determined. In addition, as height information of each part of the measurement target M serving as a reference, image information of the reference measurement target taken in advance by an imaging device, CAD (computer aided design) conversion data of the reference measurement target M Alternatively, a data which is calculated and set in advance based on data input by the user or the like is used. Therefore, it is possible to very easily cope with a design change of the measurement object and the like.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the appearance measuring device according to the embodiment of the present invention.
This appearance measuring device includes a light pattern irradiation device 1 that irradiates a striped light pattern P onto the surface of a measurement target M, and a measurement target M that is irradiated with the light pattern P from the light pattern irradiation device 1. A photographing device 2 for photographing an image, an arithmetic processing device 3 for computing height information of each part of the measuring object M by a phase shift method based on the image photographed by the photographing device 2, and a measuring object A displacement device T for changing the relative positional relationship between M and the light pattern P is provided.
[0022]
The displacement device T includes a table 4 on which a measurement object M is mounted, a driving mechanism 5 for linearly moving the table 4 in one direction (the direction of the arrow X in FIG. 1) at a predetermined speed, and a driving mechanism 5 The motor 6 includes a motor 6 to be driven, and a motor driving device 7 that supplies power to and drives the motor 6.
[0023]
The table 4 includes a slider or the like horizontally supported by a linear guide (not shown). The drive mechanism 5 includes a ball screw or a belt, and is used to connect the table 4 and the motor 6 to change the rotation of the motor 6 into a linear movement of the table 4. Therefore, the measurement object M mounted on the table 4 can be linearly moved in one direction by driving the motor 6. Note that it is desirable to use a servomotor or the like that can be easily positioned as the motor 6. Further, the table 4 may be configured to be linearly moved by a linear motor.
[0024]
The light pattern irradiation device 1 is a lattice projector, and is a direction inclined by a predetermined angle in the direction of movement of the measurement target M with respect to the normal direction of the surface of the table 4 (the arrow L direction in FIG. 1), that is, The light pattern P is arranged to irradiate the surface of the measurement object M from obliquely above the movement direction side of the measurement object M. The light pattern P is a laser interference fringe or the like.
[0025]
FIG. 2 shows an example of a light pattern irradiated on the table from the light pattern irradiation device. As shown in the figure, the light pattern P is arranged in a stripe shape in the moving direction of the measurement target M, and has an overall elliptical shape. Here, the shape of the light pattern P is an elliptical shape, but is not limited to this. For example, it may be rectangular. This makes it possible to expand the range in which the light pattern P is irradiated. In the striped light pattern P, a first light pattern PP1 having a period (pitch) P1 is formed in a rear half portion with respect to the moving direction of the measurement target M, and a period (pitch) is formed in a front half portion. A second light pattern PP2 of P2 is formed. Here, it is set so that P2 = P1 × 8. The reason why the light pattern P having the plurality of periods P1 and P2 is used is to accurately determine the shape of the measurement target M even when the shape change of the measurement target M is large. Details will be described later.
[0026]
Although the light pattern P having two periods P1 and P2 is set here, the light pattern P having one or three or more periods may be set according to the shape of the measurement target M. Specifically, for example, when the shape change of the measurement target M is gradual, the light pattern P of one cycle is used, and when the shape change of the measurement target M is abrupt (for example, when there is a step). ), A light pattern P having a plurality of periods is used.
[0027]
Although not shown, the light pattern P is set such that the light intensity changes sinusoidally in one cycle in order to simplify the calculation of height information by the phase shift method.
[0028]
The photographing device 2 is arranged above the table 4 so as to face the table 4, and can photograph a predetermined photographing range 20 set in advance as shown in FIG. The photographing range 20 is appropriately set according to the shape of the measurement target M.
[0029]
Further, in this photographing range 20, at least three photographing ranges extending in a direction intersecting the moving direction of the measurement target M, which are arranged at intervals different from the periods P1 and P2 of the light pattern, respectively. Is set.
[0030]
Then, the photographing device 2 is configured to photograph the same part on the surface of the measurement target M when the same part on the surface of the measurement target M comes directly below each photographing range. Therefore, the imaging device 2 is configured to be able to perform a predetermined number of times of imaging in synchronization with the movement of the measurement target M. Details will be described later. Accordingly, at least three images in which the same part of the measurement target M is irradiated with different light patterns P can be captured.
[0031]
For example, a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) image sensor is used as the photographing device 2 as described above. In this CMOS image sensor camera, the shooting range can be set arbitrarily, so the number of shooting ranges is not limited to three. Therefore, it is possible to set more photographing ranges in order to improve the measurement accuracy of the appearance shape (height) of the measurement target M.
[0032]
The arithmetic processing device 3 includes an input unit 30, an arithmetic unit 31, a storage unit 32, and an output unit 33, all of which are connected via wiring. The arithmetic processing unit 3 is connected to the count comparison unit 8 that outputs a captured image capture start signal of the imaging unit 2 and the positioning unit 9 that determines the position of the table 4 via wiring. Further, a position sensor 9a for measuring the current position of the table 4 is attached to the motor 6 described above, and this position sensor 9a is connected to the positioning device 9 via wiring.
[0033]
The input unit 30 is connected to the photographing device 2 and the count comparing device 8, and receives image information from the photographing device 2 and image capture start information from the count comparing device 8. The input unit 30 incorporates an arithmetic processing table 30a composed of a logic circuit. The calculation processing table 30a has a function of performing calculation to obtain height information of each part of the measurement target M based on image information from the imaging device 2. Further, the input unit 30 is connected to be able to output the height information obtained from the operation processing table 30a to the operation unit 31. Here, the input unit 30 includes the arithmetic processing table 30a, but the arithmetic processing table 30a may be provided in the storage unit 32.
[0034]
The operation unit 31 is mainly configured by a microprocessor, and the storage unit 32 includes a read-only memory (ROM) and a random access memory (RAM), and a program that defines an operation procedure of the operation unit 31 or the operation unit 31 Store the data to be processed by
[0035]
The calculation unit 31 transmits the movement position and the movement speed of the table 4 stored in the storage unit 32 in advance to the positioning device 9 via the output unit 33 in order to synchronize the movement of the measurement target M and the imaging of the imaging device 2. It is configured to The positioning device 9 is configured to transmit the received moving position of the table 4 to the motor driving device 7. Thus, the motor driving device 7 drives the motor 6 based on the moving position and the moving speed of the table 4 from the positioning device 9, whereby the table 4 is moved in one direction via the driving mechanism 5.
[0036]
At the same time, the arithmetic unit 31 transmits the image capture start position stored in the storage unit 32 in advance to the count comparison device 8 via the output unit 33 in order to synchronize the movement of the measurement target M with the imaging of the imaging device 2. It is configured to The count comparing device 8 compares the image capturing start position with the current position of the moving table 4 transmitted from the position sensor 9a via the positioning device 9, and determines that the current position of the table 4 is image capturing. When the position coincides with the start position, image capture start information is output to the input unit 30. As a result, the calculation unit 31 causes the input unit 30 to start capturing image information from the imaging device 2 based on the image capture start information.
[0037]
As described above, by synchronizing the movement of the measurement target M with the photographing of the photographing device 2, a predetermined portion on the surface of the measurement target M is associated with the photographed image information.
[0038]
The calculation unit 31 compares the height information of each part of the measurement target M from the calculation processing table 30a with the height information of each part of the measurement target M serving as a reference, and calculates a difference between these. Is determined based on whether or not exceeds a predetermined value. This determination result is displayed on a display device (not shown) or the like. In addition, the height information of each part of the measurement target M serving as a reference includes image information of the measurement target M serving as a reference, which is captured in advance by the imaging device 2, and CAD (computer-aided design) of the reference measurement target. The calculation is performed based on the conversion data, the input data by the user, or the like, and is stored in the storage unit 32.
[0039]
The operation of the appearance measuring device configured as described above will be described with reference to FIGS. In this embodiment, it is assumed that the arithmetic processing device 3 used in the appearance measuring device can process 8-bit (256) height information. However, this information amount is appropriately set in accordance with the accuracy of measuring the external shape of the measurement target M, the measurement processing speed, the facility cost, and the like, and is not limited to this numerical value.
[0040]
FIG. 3 is a side view schematically illustrating a state in which a light pattern is irradiated from the light pattern irradiation device onto the measurement target. As shown in the drawing, first, a light pattern P (see FIG. 2) having two different periods P1 and P2 from the light pattern irradiation device 1 is predetermined in the moving direction of the measurement target M with respect to the normal direction of the surface of the table 4. Is irradiated onto the measurement object M from the direction inclined by the angle α. As described above, the different periods P1 and P2 are set to P2 = P1 × 8. Specifically, for example, if P1 = 1 mm, P2 = 8 mm. Here, P2 = P1 × 8, but may be set to an even multiple between P2 = P1 × 2 and P2 = P1 × 128 according to the shape of the measurement target M. This will be described later.
[0041]
The photographing device 2 moves when the same part on the surface of the measurement target M that moves in one direction (the X direction in FIG. 1) by the displacement device T comes directly below each preset photographing range 20 (see FIG. 2). First, the same part on the surface of the measurement object M is photographed. For example, when measuring a measurement target M having a width of 200 mm and a length of 200 mm, the imaging range 20 is set to about 220 mm in width and about 20 mm in length. Therefore, in the first light pattern PP1 having the period P1 (1 mm), the photographing device 2 simultaneously photographs 20 periods. In the second light pattern PP2 having the period P2 (8 mm), the photographing device 2 simultaneously photographs two periods. Actually, only the image necessary for calculating the height information by the phase shift method is appropriately selected from the images captured by the image capturing apparatus 2 in this manner, and the height of the measurement target M is calculated based on the image. Is done.
[0042]
Further, the shooting range is set in this shooting range so as to be different from the periods P1 and P2 of the first and second light patterns PP1 and PP2. As described above, the phase shift method requires an image in which the same portion of the measurement target M is irradiated with the light patterns P of at least three light intensities. When four are set, the shooting range is set at an interval of 0.25 mm in the first light pattern PP1 of P1 = 1 mm, and the shooting range is set at an interval of 2 mm in the second light pattern PP2 of P2 = 8 mm. Then, the photographing device 2 photographs an image on the surface of the measurement target M corresponding to each of the photographing ranges.
[0043]
Note that the above-described photographing range is an example, and the shape of the measurement target M, the number of periods of the light pattern, the number of images irradiated with light patterns having different light intensities on the same part of the measurement target M, and the like are determined. It is set appropriately.
[0044]
The image photographed by the photographing device 2 is input to the input unit 30 as image information. Then, the arithmetic processing table 30a of the input unit 30 performs an arithmetic operation to obtain height information (height) of the measurement target M by a phase shift method based on the image information.
[0045]
Referring to FIG. 3, height H1 of measurement object M can be obtained by the following equation (Equation 1).
[0046]
(Equation 1)
tanα = D1 / H1
In addition, D1 indicates whether the stripes of the first and second light patterns PP1 and PP2 move in the moving direction of the measurement target M depending on whether the measurement target M is irradiated with the first and second light patterns PP1 and PP2 (see FIG. 3 (the direction of the arrow X in FIG. 3) (a displacement amount corresponding to a phase shift between the first and second light patterns PP1 and PP2). This displacement amount D1 is obtained by the phase shift method. Α is the irradiation angle of the first and second light patterns PP1 and PP2 with respect to the normal direction of the surface of the table 4.
[0047]
From the above, in (Equation 1), for example, when α = 45 °, the measurable heights H1max and H2max corresponding to the respective periods P1 and P2 of the first and second light patterns PP1 and PP2 are equal to the light pattern P. It becomes equal to the periods P1 and P2, respectively. The reason is that the limit displacement amount D1 at which the adjacent stripes of the first and second light patterns PP1 and PP2 overlap each other is the period P1 and P2, respectively. This is because it is impossible to distinguish which stripe before PP2 corresponds to which stripe before the displacement. Specifically, when P1 = 1 mm, H1max = P1 and H1max = 1 mm. Similarly, when P2 = 8 mm, H2max = P2 and H2max = 8 mm.
[0048]
In this case, the resolution of the height information is such that the arithmetic processing unit 3 can process 8-bit (256) pieces of height information for one cycle of the light pattern P. The resolution H1res of PP1 is H1res = H1max / 256 = 3.990625 micrometers. Similarly, the resolution H2res of the second light pattern PP2 is H2res = H2max / 256 = 31.25 micrometers.
[0049]
When the first light pattern PP1 is irradiated on the measurement target M as described above, the measurable height H1max corresponding thereto is small but the resolution is high. As a result, when the change amount of the actual height of the measuring object M is larger than the period P1 of the first light pattern PP1, that is, the measurable height H1max, the displacement amount D1 is also measurable height H1max as described above. , One stripe of the first light pattern PP1 is greatly displaced in the moving direction of the measuring object M beyond the period P1 and overlaps with the other stripes. As a result, an accurate height of the measurement target M cannot be obtained. On the other hand, when irradiating the measurement object M with the second light pattern PP2, the measurable height corresponding to the second light pattern PP2 is large, but the resolution is reduced instead. Therefore, it is possible to grasp the change in the overall appearance of the measurement object M, but it is not possible to obtain a highly accurate measurement result. Therefore, in the present embodiment, by combining the first and second light patterns PP1 and PP2, a change in the overall shape of the measurement target M is grasped using the second light pattern PP2, and the first light pattern PP1 is used. To improve measurement accuracy. The details will be described below.
[0050]
FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a result obtained by measuring the height of one portion of the measurement target M using the appearance measurement device according to the embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents the first height gradation H1hex and the second height gradation H2hex of the measurement object M corresponding to the periods P1 and P2 of the first and second light patterns PP1 and PP2, respectively. The first and second height gradations H1hex and H2hex are obtained from the displacement amount D1, respectively, and the intensity distribution of the light of one cycle (−π to π) of the first and second light patterns PP1 and PP2. Is converted into 256 values (0 to 255). The vertical axis is the height of the measurement target M.
[0051]
As shown in FIG. 4A, the height H12 of the measurement target M corresponding to the first light pattern PP1 repeatedly changes in the movement direction of the measurement target M between 0 and 1 mm. Further, the corresponding first height gradation H1hex also changes repeatedly between 0 and 255 with respect to the moving direction of the measuring object M. On the other hand, the height H13 of the measurement target M corresponding to the second light pattern PP2 changes between 0 and 8 mm with respect to the moving direction of the measurement target M. The corresponding second height gradation H2hex also changes between 0 and 255 with respect to the moving direction of the measuring object M.
[0052]
Although only one period P2 of the second light pattern PP2 is shown here, the height H13 of the measurement target M corresponding to the second light pattern PP2 is 0 to 0, similarly to the first light pattern PP1. During the interval of 8 mm, the direction of movement of the measuring object M changes repeatedly, and the corresponding second height gradation H2hex also changes between 0 and 255 in the direction of moving of the measuring object M. Here, a case where the height of the measurement object M monotonously increases is shown.
[0053]
FIG. 4B is an enlarged view of a range BB indicated by a broken line in FIG. The height H12 of the measurement object M corresponding to the first light pattern PP1 increases as the first height gradation H1hex increases. Then, when the first height gradation H1hex becomes 255, the height H12 of the measurement object M becomes 1 mm, and when it exceeds this, the first height gradation H1hex becomes 0 and the height of the measurement object M becomes higher. The height H12 also becomes 0 mm. However, the height H13 of the measuring object M corresponding to the second light pattern PP2 is the first light pattern PP because the measurable height H2max of the second light pattern PP2 is larger than the first light pattern PP1. It does not become 0 mm like PP1 but becomes the actual height of the measuring object M. Therefore, referring to the height H13 of the measurement object M corresponding to the second light pattern PP2, the height H12 of the measurement object M corresponding to the first light pattern PP1 in each cycle is accurately connected (phase connection). ), Whereby the accurate height of the measuring object M can be obtained. In order to obtain an accurate height of the measurement object M, it is important that accurate phase connection is performed. This will be described more specifically below.
[0054]
FIG. 5 shows first and second height gradations corresponding to the height of the measurement target M (for example, 0.01, 0.98, 0.99, 1.00, 1.01, and 7.99 mm). FIG. 9 is a diagram showing the calculation result of. As shown in the drawing, in the case of only the first height gradation H1hex, the first height gradation H1hex corresponding to the height H12 of the measurement object M of 0.01 mm and 1.01 mm is 2 and the distinction is made. Does not stick. However, when the result of the second height gradation H2hex is reflected in this result, the second height gradation H2hex corresponding to the height H12 of the measurement object M of 0.01 mm and 1.01 mm becomes 0 and 32, respectively. It is possible to distinguish them. In this manner, accurate phase connection (the height H12 of the measuring object M is changed from 1.00 mm to 1.01 mm instead of 0.01 mm) is performed. As a result, an accurate height of the measurement target M is obtained.
[0055]
In addition, since an error occurs during the measurement of the height of the measurement target M, the height H13 of the measurement target M is 0.99 mm, the first height gradation H1hex = 253, and the second height gradation H2hex = Even in the case of 32, the correct second height gradation H2hex can be obtained based on the first height gradation H1hex. Details will be described later. Thereby, accurate phase connection of the second height gradation H2hex is performed, and as a result, the accurate height of the measurement target M is obtained.
[0056]
Next, the above process will be described more specifically with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart for calculating the height of the appearance measuring device according to the embodiment of the present invention.
[0057]
The photographing device 2 photographs the measurement target M (S1). The arithmetic processing table 30a calculates the displacement D1 shown in the above (Equation 1) based on the image information input from the imaging device 2 to the input unit 30 (S2, S4). In step S2, a displacement D1 corresponding to the first light pattern PP1 is calculated. In step 4, the displacement amount D1 corresponding to the second light pattern PP2 is calculated. After that, the first and second height gradations H1hex and H2hex are calculated from the respective displacement amounts D1 (S3, S5).
[0058]
Thereafter, it is determined whether or not H1hex> 5 (S6). If H1hex> 5 is not satisfied in step S6, it is determined whether the second height gradation H2hex is an even number (S7). In step S7, if the second height gradation H2hex is not an even number, it is replaced with H2hex = H2hex + 1 (S8), and if the second height gradation H2hex is an even number, it is processed as it is in step S12. You. If H1hex> 5 in step S6, it is determined whether H1hex <250 (S9).
[0059]
If the first height gradation H1hex <250 is not satisfied in step S9, it is determined whether or not the second height gradation H2hex is an odd number (S10). In step S10, if the second height gradation H2hex is not an odd number, it is replaced with the second height gradation H2hex = H2hex-1 (S11), and if the second height gradation H2hex is an odd number, it is left as it is. It is processed in step S12 as a number. If the first height gradation H1hex <250 in step S9, an H2hex having higher accuracy in the first height gradation H1hex and the second height gradation H2hex is generated in step S12. . According to the above steps S6 to S11, for example, an error occurs during the measurement of the height of the measurement target M described above, so that the height H13 of the measurement target M is 0.99 mm and the first height gradation is set. Even when H1hex = 253 and the second height gradation H2hex = 32, since the first height gradation H1hex = 253 (S9) and the second height gradation H2hex is an even number (S10). , The second height gradation H2hex = H2hex-1 (S11), and a correct second height gradation H2hex = 31 (see FIG. 5) can be derived.
[0060]
In step S12, the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height gradation H2hex (8 bits) are combined to obtain a second height gradation H2hex (11 bits). In this case, since the same term of the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height gradation H2hex (8 bits) has 5 bits, the upper 3 bits of the second height gradation H2hex are the first height. Is different from the gradation H1hex. Thereby, the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height gradation H2hex (3 bits) are combined, and the second height gradation H2hex becomes 11 bits. Then, the height of the measurement target M is calculated based on the height gradation H2hex (11 bits) obtained in step S12. As a result, highly accurate height information can be obtained as compared with the height information of the measurement target M based on the 8-bit information. Here, the case where the relationship between the different periods of the light pattern P is P2 = P1 × 8 is shown. However, when P2 = P1 × 128, the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height Since the same term of the gradation H2hex (8 bits) is 1 bit, when these are combined, a 15-bit second height gradation H2hex is obtained.
[0061]
Steps S2 and S4 constitute phase calculation means, and steps S3, S5 and S6 to S11 constitute phase connection means. The arithmetic processing table 30a constitutes a first arithmetic processing table.
[0062]
Further, the phase connection means may be replaced with a second arithmetic processing table. This makes it possible to improve the operation processing speed.
[0063]
In addition, since there is a step of determining whether the second height gradation is an even number or an odd number in steps S6 to S11 described above, the relationship between the periods P1 and P2 is such that one period is an even multiple of the other period. And Therefore, when the information amount is 8 bits (256), the period P2 is adjusted between P2 = P1 × 2 and P2 = P1 × 128. Of course, if the amount of information is not 8 bits, it is set based on the amount of information. For example, when the information amount is 4 bits (16 pieces), adjustment is performed between P2 = P1 × 2 and P2 = P1 × 8.
[0064]
Further, the arithmetic processing device 3 compares the height information of each part of the measurement target M calculated as described above with the height information of each part of the measurement target M serving as a reference, and The quality of the measurement object M is determined based on whether or not the difference exceeds a predetermined value.
[0065]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a structure is simple and highly accurate measurement can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an appearance measuring device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a light pattern irradiated on a table from a light pattern irradiation device.
FIG. 3 is a side view schematically showing a state in which a light pattern is irradiated from a light pattern irradiation device onto a measurement object.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a result obtained by measuring the height of a measurement target using the appearance measurement device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing calculation results of first and second height gradations corresponding to the height of a measurement target.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a process in which the appearance measuring device according to the embodiment of the present invention calculates the height of the measurement target object.
[Explanation of symbols]
1 Light pattern irradiation device
2 Shooting device
3 arithmetic processing unit
4 tables
5 Drive mechanism
6 motor
7 Motor drive
8 count comparison device
9 Positioning device
9a Position sensor
M Object to be measured
P light pattern
T displacement device
30a arithmetic processing table

Claims

Light pattern irradiation means for irradiating the surface of the measurement target with a striped light pattern in which the intensity of light changes periodically,
A photographing means for photographing an image of the measurement object irradiated with the light pattern from the light pattern irradiation means,
Displacement means for changing the relative positional relationship between the measurement object and the light pattern,
The photographing means is configured to be able to set at least three photographing ranges disposed at intervals of a cycle different from the cycle of the light pattern and extending in a direction intersecting with the direction in which the relative positional relationship is changed. Yes,
Calculating means for calculating height information of each part of the measurement object by a phase shift method based on at least three light intensity distributions on an image corresponding to the shooting range, shot by the shooting means; and An external appearance measuring device comprising:

The appearance measuring device according to claim 1, wherein a photographing range of the photographing means is configured to be changeable according to an appearance shape of the measurement target.

The said displacement means is comprised so that the said light pattern irradiation means and an imaging means with respect to the said measurement object, or the said measurement object with respect to the said light pattern irradiation means and an imaging means can be displaced. The appearance measuring device according to 1 or 2.

The appearance measuring device according to any one of claims 1 to 3, wherein the light pattern of the light pattern irradiating means is configured so that the light intensity changes sinusoidally along the displacement direction of the displacement means.

The appearance measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the light pattern irradiating means is configured to irradiate a light pattern having a plurality of cycles.

The arithmetic means is
Phase calculation means for calculating the phase of the light pattern of the plurality of cycles based on the image taken by the imaging means,
Phase connection means for connecting each phase calculated by the phase calculation means,
6. The external appearance measuring device according to claim 5, wherein the phase connection means is configured to connect each phase of the light pattern of another cycle while referring to each phase of the light pattern of one cycle.

The image processing apparatus further includes a first calculation processing table for calculating the height information of the site from the light intensity distributions on at least three images of the same part of the measurement target imaged by the imaging unit. An appearance measuring device according to any one of claims 1 to 6.

8. The external appearance according to claim 6, wherein said arithmetic means further comprises a second arithmetic processing table for connecting each phase of the light pattern of another cycle while referring to each phase of the optical pattern of one cycle. Measuring device.

The calculation means further includes a determination means for determining the quality of the measurement target based on the height information of the measurement target calculated by the calculation means,
The determination means is a preset reference height information of each part of the measurement object, and the height of each part of the measurement object calculated from an image obtained by photographing the measurement object to be inspected An appearance measurement device configured to determine the quality of a measurement target based on a difference from height information.