JP2007017379A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定対象面が拡散反射しにくい鏡面で構成されている面の形状を測定する測定装置を提供すること。
【解決手段】 鏡面反射する被測定対象面に光線を投影する光源体と、該光源体の被測定対象による鏡面反射像を撮影するカメラと、該カメラによる撮影画像を処理して鏡面反射部分の表面形状を算出する演算処理装置を具備したことを特徴としている。特に、本発明は被測定対象の鏡面反射領域は黒色、暗褐色等の拡散反射が起こりにくい暗黒色表面又は完全鏡面で拡散反射が起こりにくい表面で構成されている場合に好適である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鏡面の形状を計測する技術分野、或いは、鏡面上に形成された微小な凹凸等の瑕疵を検査する検査装置の技術分野に属する。

従来から３次元物体の曲面を計測する技術や平面の微小な凹凸を計測する技術が開発されてきた。これらの技術は自動車、航空機等のパネルの製作技術分野や、エレクトロニクス分野における半導体膜の形成技術分野にも利用されている。これらの計測法の主なものとして光切断法と鏡面反射法がある。前者の光切断法はレーザ線をスリット光にして被測定物に投影して、被測定物と測定部との間の距離を距離センサにより計測すると同時にその画像を撮影して、被測定物の表面の３次元座標を測定するものである。これに関する従来技術文献としては、例えば以下の文献がある。
公開特許公報、特開２０００−１３１０３１（３次元座標測定器） 公開特許公報、特開平５−２０３４２３（物体形状測定装置）

また、後者の鏡面反射法は、レーザ光を被測定物の鏡面反射面に投影して鏡面反射像（又は、鏡面反射光）をカメラで撮影し、撮影画像から表面の形状を計測する方法です。これを利用した従来技術としては、例えば、以下の特許公報に掲載されている技術があります。
公開特許公報、特開２０００−１９３４３２（画像認識による計測方法及び装置） 公開特許公報、特開平５−１０７０３２（実装基板概観検査法）

特許文献３に記載の技術について、図７〜図９を用いて説明する。図７はシリコンウェハ（物体面）５７上に半田（計測対象物）５８を印刷したケースで、半田の厚さ（高さ）、面積を測定する装置である。図７で５１は照明装置で、５２はレーザパターンを投影する投影装置で、５３はシリコンウェハ５７及び半田（はんだ）５８を撮影する撮影装置（カメラ）である。シリコンウェハ５７の表面は鏡面で形成され，半田５８の表面は拡散反射体である。カメラ５３の光軸が物体面上に配設された計測対象物のレーザ光による鏡面反射光の光軸に平行に配置され、物体面５７及び計測対象物５８の画像を撮影するように構成されている。撮影された画像データは記憶装置５４に記憶され、ＣＰＵ５５によって処理され、結果が表示装置５６に表示される。

図８は測定原理を示す図である。（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上平面図を示す。図８で、スリット６０を通過したレーザスリット光６１は投射角θで投射され，半田５８を光切断し、拡散反射光６２がカメラ受光面６４に投影される。また、レーザスリット光６１はシリコンウェハ５７の基準線にも投影され、鏡面反射した反射光６３がカメラの受光面６４に投影される。撮像装置５３による投影画像は図９に示す基準線６５と光切断線６６の画像となる。基準線６５と光切断線６６の画像間の距離を「ａ」とすると、半田５８の高さ「ｈ」が計算により求められる。

また、特許文献４に記載の装置は、第１実施例〜第３実施例は散乱光を利用するもので、本願発明とは無関連である。第４実施例はプリント基板上に電子部品を配置し、半田フィレットで電子部品を固定した場合に半田フィレットの傾斜面の形状などを測定する技術である。即ち、この技術は赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光を半田フィレット並びにプリント基板上に照射し、上方に配置されたカラーカメラで撮影する。なお、各レーザ光はプリント基板上の１点で集光するように異なった角度で半田フィレット及びプリント基板上に照射する。前記３種類のレーザ光は半田フィレット表面で鏡面反射する。この３種類の内で上方に向けて反射した鏡面反射光とプリント基板上で集光して白色になった散乱光がカラーカメラで撮影される。撮影された鏡面反射光と白色の散乱光によりレーザ光の種類と反射位置のずれにより傾斜面の形状などを測定する。

上記の特許文献３及び特許文献４に述べた装置（技術）は何れも鏡面反射光を利用しているが、その基準として同時に散乱光も利用している。従って、被測定対象が鏡面反射はするが、拡散反射（又は散乱反射）が殆ど起こらない表面の被測定対象には適用できない。例えば、鏡面反射はするが、濃色等で拡散反射しにくい表面（以下、暗黒色鏡面という）の形状を測定する場合には上記の従来装置ないし技術は利用できない。本発明はこのようなケースの表面形状測定装置を提供することを課題としている。

本発明は上記の課題を解決する手段として以下の構成を採用する。即ち、
請求項１記載の発明は、鏡面反射する被測定対象面に光線を投影する光源体と、該光源体の被測定対象による鏡面反射像を撮影するカメラと、該カメラによる撮影画像を処理して鏡面反射部分の表面形状を算出する演算処理装置を具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被測定対象の鏡面反射領域は黒色、暗褐色等の拡散反射が起こりにくい暗黒色表面で構成されていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２の何れか１に記載の発明において、前記光源体は１又は複数の平行な直線状の蛍光灯、又は、円形、正方形又は矩形の環状の蛍光灯で構成したことを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１又は請求項２の何れか１に記載の発明において、前記光源体は、導光用プラスチィック棒などのように他の光供給源によって発光する発光体であることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１に記載の発明において、前記カメラは、カメラ中心線が前記被測定対象の鏡面反射面と略垂直になるように配置したこと特徴としている。

以上説明したように、この発明の構成によれば、被測定対象の表面が鏡面反射し、拡散反射しない面で構成されている場合、特に、完全鏡反射面又は暗黒色の拡散反射の起こりにくい鏡面の場合にも測定できるという効果が得られる。また、拡散反射面を利用しないことから拡散反射光源（例えば、蛍光灯）を光源として利用でき、装置が安価になるという効果も得られる。

図１は本願発明を実施した実施形態の装置全体概略を示す図である。図１において、対象物体１０の表面１０ａは、拡散反射が殆ど起こらない暗黒色で、且つ、鏡面状に塗装されている。表面１０ａの略中央に変形した部分１０ｂがあり、この変形した表面部分１０ｂの形状を以下の装置で測定する。表面変形分１０ｂの上方略真上に発光体１１を配置する。発光体１１はレーザ光源である必要はなく、細めの直線状蛍光灯或いは環状蛍光灯等でもよい。本発明は拡散反射ではなく鏡面反射を利用するので発光体１１のはっきりした像が撮影されるからである。１２は発光体１１の電源装置で制御装置１９によってオンオフが制御されている。また、表面変形分１０ｂの上方略真上にカメラ１３が配置される。カメラ１３はディジタルカメラで、結像部にはＣＣＤ（電化結合素子）が配置され、撮像データが直接記録装置１４に記録される。記録データは処理装置１５に出力される。データの入出力は制御装置１９によって制御される。処理結果は表示装置１６によって表示される。なお、１７は入力手段である。

図２、図３は表面に段差のある対象物体２０の例と直線蛍光灯１１、カメラ１３の関係を示す図である。発光体１１は、直線の細い蛍光灯で構成され、水平に配置されている。また、対象物体２０の表面は上方に位置する鏡面（平面）２１と下方に位置する鏡面（平面）２２及び接続部分２３とからなり、鏡面２１、２２は何れも水平（蛍光灯１１と平行）に配置される。なお、鏡面２１、２２と蛍光灯１１との距離Ｚ１，Ｚ２の何れか一方（例えば、Ｚ２）は未知である。ここでは、特にＺ１，Ｚ２の差ΔＺが知りたい未知数である。図に示すように、カメラ１３のレンズを１３ａとし、結像面を１３ｂとする。蛍光灯１１の対象物体２０の表面で反射した反射光がカメラ１３に入射して、撮影画像面（結像面）１３ｂに蛍光灯１１の像２５が形成される。この像２５は蛍光灯１１の鏡面に対する虚像２４から投影された像に一致する。従って，偏差ΔＺは結像面の偏差Δｘから求められる。

図４は像２５の偏差Δｘと鏡面２１、２２の偏差ΔＺとの関係を導出する方法を示す図である。（Ａ）は段差を横方向から見た側面図で、（Ｂ）は段差を正面から見た正面図である。図４において、理解を容易にするために例えば、蛍光灯（又は発光体）２７を１辺の長さが２Ｄである正方形の環状体から構成されている場合について説明する。正方形の発光体２７は正方形が水平になるように配置し，水平面にｘ軸、ｙ軸を設け、発光体２７の中心を原点とする。また、カメラ１３のレンズ中心をｘ軸、ｙ軸の原点に配置し、垂直下方にｚ軸を考え、カメラのレンズ中心をｚ軸の原点にする。

図４に示すように、カメラ１３のレンズ中心から発光体２７までの距離をＨとし、対象物体２０の上鏡面２１までの距離をＺ（但し、Ｚ＝Ｈ＋ｈ）、即ち、発光体２７と上鏡面２１までの距離をｈとする。上鏡面２１及び下鏡面２２に対する発光体２７の虚像２１ａ、２２ａは夫々、距離Ｚ２、Ｚ３の位置に生じる。また、カメラ１３による鏡面反射による撮影像は、これらの虚像を撮影する場合と同じ撮影像が得られる。即ち、位置Ｚのところに下に示した図形２８を置いたときにできる撮影像と元の撮影画面に生じる像とが等しくなる。この下の図において、上鏡面２１で反射する反射光の幅を２・Ｘとし、下鏡面２２で反射する反射光の幅を２・（Ｘ−ΔＸ）とする。ΔＸは上鏡面２１と下鏡面２２の段差ΔＺによって生じたものである。記号「・」はスカラー積を示す。

次に距離Ｘと距離Ｚの関係、及び距離ΔＸと距離ΔＺの関係を求める。距離Ｚは発光体のｚ軸の距離Ｈと虚像位置Ｚ２の中点であるから、Ｚ２＝２・Ｚ−Ｈ が成立する。また、虚像で構成される３角形と反射光で構成される３角形の相似から、
Ｘ／Ｄ＝Ｚ／Ｚ２＝Ｚ／（２・Ｚ−Ｈ） が得られる。即ち、
Ｘ＝（Ｚ・Ｄ）／（２・Ｚ−Ｈ）、又は、 Ｚ＝（Ｘ・Ｈ）／（２・Ｘ−Ｈ）となる。この関係式を微分すると以下のΔＸとΔＺの関係式が求まる。即ち、
ΔＸ／ΔＺ＝−（Ｄ・Ｈ）／（２・Ｚ−Ｈ）＊＊２、
又は、 ΔＺ／ΔＸ＝−（Ｄ・Ｈ）／（２・Ｘ−Ｄ）＊＊２ となる。なお、記号「／」は除算を意味し、記号「＊＊」はべき乗を意味する。また、負号「―」はΔＸがＸと反対向きであることを意味する。

カメラ１３のパラメータ（焦点距離ｆ、撮像面のサイズ）と前述した距離Ｚにおける反射光の像と撮影画面上にできる撮影像との関係について図５を参照して説明する。図５において、カメラレンズ３０の中心からｚ軸方向に距離Ｈの点に長さＤｓが既知の発光体２７を水平に配置し、更に下方に既知の距離ｈの点Ｚ（Ｚ＝Ｈ＋ｈ）に鏡面２１を水平に配置する。レンズの焦点距離を「ｆ」とし、撮影画面上に撮影された発光体２７の像の大きさ「ｘ」を計測する。このとき計測値をＣｘとすれば、図５から 反射光の長さＸは、 Ｘ＝Ｃｓ・Ｚ／ｆ で与えられる。Ｘが計算できれば、Ｄ＝Ｄｓ として上に述べた下側の式から ΔＺ／ΔＸの値が計算で求められる。ここで、ΔＸは、ΔＸ＝ΔＣｘ・Ｚ／ｆ であるから、段差ΔＺが求められる。

なお、距離ｈを計測するのが困難な場合は、鏡面２１上に長さＸｓが既知の像（又は図）を配置する（描いてもよいし、描いた図を密着又は貼り付けてもよい）。次いで、距離Ｚ（又は、距離ｈ）を上下に移動させて、発光体による撮影画面上の像と長さＸｓの図形の撮影像が一致するように調整する。この場合は、 Ｘｓ／Ｄｓ＝（Ｈ＋ｈ）／（Ｈ＋２・ｈ）より未知数ｈを計算して求め、 Ｚ＝Ｈ＋ｈ を算出する。上に述べた上側の式から ΔＺ／ΔＸの値が計算で求められる。ここで、ΔＸは、ΔＸ＝ΔＣｘ・Ｚ／ｆ であるから、段差ΔＺが求められる。

上記した実施例では、カメラの光軸を略垂直下向きに向けた。この実施形態では、被測定対象の鏡面が略水平の場合や傾斜面の水平距離が短く無視できる場合について述べている。しかし、鏡面反射面が大きな角度で傾斜している場合は発光体２７の位置から離れた位置にカメラを配置するか、カメラの光軸を反射光の方に傾斜させて配置する工夫が必要である。また、変形している鏡面反射面に段差があるだけでなく複雑な形状をしている場合には図６に示す装置を利用する。

図６は装置の１例を示す。図６において、装置取り付け固定台４１に直線発光体１１及びカメラを固定する。固定台４１は連結軸４２を介して３６０度旋回可能な駆動モータ４３に連結され、軸４４を介して左右移動手段４５、前後移動手段に連結する。以上の装置で得られた撮影画像を合成すれば鏡面反射面４０に複雑な変形がある場合に、平面の形状の測定や立体構造を測定することができる。

以上に本実施形態を詳細に説明したように、本実施形態に依れば、被測定対象の表面が完全な鏡反射面、又は、暗黒色の鏡面のように拡散反射しない表面の場合にも測定できるという効果が得られる。また、拡散反射面を利用しないことから拡散反射光源（例えば、蛍光灯）を光源として利用でき、装置が安価になるという効果も得られる。

以上、この発明の実施形態、実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、鏡面反射面は暗黒色である必要はなく、白色などの明るい色の鏡面の形状測定にも適用できる。また、導光用プラスチックなどのように、自ら発光する発光体（光源体）でなくてもよい。さらに、測定する鏡面が水平でなく傾斜している場合にも適用できる。

実施形態の全体装置の構成例を示す。 鏡面反射面に段差のある場合の実施例を示す。 上記実施例の詳細図を示す。 本発明の原理を説明した説明図である。 本発明の原理を説明した説明図である。 鏡面反射面に複雑な変形がある場合の測定装置例を示す。 従来装置の構成図を示す。 従来装置の原理の説明図である。 従来装置の撮影画像例を示す。

符号の説明

１０ 測定対象物（被測定対象面）
１１ 蛍光灯（光源体）
１３ ディジタルカメラ（撮影カメラ）
１４ 記録装置
１５ 処理装置（演算処理装置）
２０ 段差付き鏡平面
２１ 上鏡面
２２ 下鏡面
２５ 撮影画像
２７ 発光体（光源体）
３０、１３ａ カメラレンズ
３１、１３ｂ 撮像面

Claims (5)

1. 鏡面反射する被測定対象面に光線を投影する光源体と、該光源体の被測定対象による鏡面反射像を撮影するカメラと、該カメラによる撮影画像を処理して鏡面反射部分の表面形状を算出する演算処理装置を具備したことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 前記被測定対象の鏡面反射領域は黒色、暗褐色等の拡散反射が起こりにくい暗黒色表面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記光源体は１又は複数の平行な直線状の蛍光灯、又は、円形、正方形又は矩形の環状の蛍光灯で構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の表面形状測定装置。
4. 前記光源体は、導光用プラスチィック棒などのように他の光供給源によって発光する発光体であることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の表面形状測定装置。
5. 前記カメラは、カメラ中心線が前記被測定対象の鏡面反射面と略垂直になるように配置したこと特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１に記載の表面形状測定装置。
   

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