JP2007047022A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 解像度を向上させ、しかも小型化が可能で設計や利用に便利な表面形状測定装置を提供すること。
【解決手段】 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表面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する処理装置を具備した表面形状測定装置において、前記被測定対象面から前記カメラへの光路に反射鏡を設け、前記カメラのレンズ中心軸を前記被測定対象面に略平行に設けると共に、前記反射鏡は被測定対象面から反射された鏡面反射像がカメラレンズの中心に向くように配置したことを特徴とする。
【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に記載の技術は、シリコンウェハ（物体面）上に半田（計測対象物）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。この装置は、照明装置と、レーザパターンを投影する投影装置と、シリコンウェハ及び半田を撮影する撮影装置（カメラ）で構成されている。シリコンウェハの表面は鏡面で形成され，半田の表面は拡散反射体である。カメラ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、物体面及び計測対象物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に記憶され、ＣＰＵによって処理され、結果が表示装置に表示される。

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。

更に、本出願人は鏡面反射光を利用する表面形状測定装置を発明し、特許出願中である（特許文献５）。本願発明はこの特許出願発明を改良した発明である。特許出願発明では、カメラのレンズ中心線を被測定対象面に略垂直に設けているために光源体をカメラの側面方向に離して設ける必要があり、装置の小型化が困難であるという課題等があった。本願発明はこれらの課題等を解決するためになされたものである。
特願２００５−２０１４６８（表面形状測定装置）。

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。本願発明はこのような従来装置の課題を解決すると共に、解像度を向上させ、しかも小型化が可能で設計や利用に便利な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、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表面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する処理装置を具備した表面形状測定装置において、前記被測定対象面から前記カメラへの光路に反射鏡を設けたことを特徴としている。
本発明によれば、光源体からカメラまでの光路を長くしても装置をコンパクトに構成できるという利点が得られる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記反射鏡は、被測定対象の表面に対して垂直方向に設けたことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記カメラのレンズ中心軸を前記被測定対象面に略平行に設けると共に、前記反射鏡は被測定対象面から反射された鏡面反射像がカメラレンズの中心に向くように配置したことを特徴としている。
本発明によれば、入射角度をレンズの中心線近傍に集めることができるので、レンズの口径を小さくしたり、レンズの歪の小さい部分を使用することにより精度を上げることができるという利点が得られる。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記光源体は１又は複数個の棒状発光体又は棒状光誘導体で構成したことを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記光源体は平面発光体と１又は複数個のスリット孔を有するマスクで構成したことを特徴としている。
本発明によれば光源体の形状や配置を種々の形状に構成することが容易かつ安価になるという利点が得られる。

請求項６記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記光源体は複数個の棒状発光体又は棒状光誘導体又はスリット孔を外枠が略正方形又は長方形になるように配置したことを特徴としている。
本発明によれば、少ない測定回数で全体の凹凸形状を把握できるという利点が得られる。

請求項７記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記光源体は複数個の棒状発光体又は棒状光誘導体又はスリット孔を外枠の撮影画像が略正方形又は長方形になるように台形状に配置したことを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記表面形状測定装置は被測定対象面と非接触状態で計測可能に構成したことを特徴としている。
本発明によれば計測（使用）可能な被測定対象面の範囲が広がるという利点が得られる。

請求項９記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記カメラ、前記光源体及び前記反射鏡は相互の位置関係をフレーム等で固定して構成したことを特徴としている。
又、 請求項１０記載の発明は、請求項１〜請求項９に記載の発明において、前記測定装置に水平角度を調節する角度調節器を設けたことを特徴としている。

この発明の構成によれば、光源体からカメラまでの光路を長くしても装置をコンパクトに構成できるという効果が得られる。また、請求項３の発明によれば、入射角度をレンズの中心線近傍に集めることができるので、レンズの口径を小さくしたり、レンズの歪の小さい部分を使用することにより精度を上げることができるという効果が得られる。

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、表面１０は被測定対象物１１の測定面である。測定対象面１０は塗装又は研磨等で鏡面状に形成されており、その面内（又は局所的な平面内）に微小な高さの凹凸又は段差等１２が存在する。従って、測定対象面１０の平面からの鏡面反射光と凹凸部１２からの鏡面反射光とは異なる光路を経てカメラ２４に投射され、撮影画像として歪んだ像が撮影される。本装置２０はこの歪み量を解析して測定対象面１０における平面内部の凹凸部１２を求める。

測定装置２０は基本装置２１と処理装置３１から構成されている。基本装置２１はケース２３内にカメラ２４、光源体２５及び反射鏡２６が設けられており、これらの相対的な配置は図示されていないフレーム等で固定されている。これらの配置関係の詳細は後述する。更に、ケース２３には把手２７及び水平角度又は垂直角度を計測する計測手段２８が固設されている。計測手段２８は角度計測器により測定を容易にするものであるが、本装置における必須の構成要素ではない。従って、必要が無いときは設けなくてよい。

処理装置３１は処理を制御する制御装置３３、計算処理を行う演算処理装置３４、データ記録装置３５、表示装置３６及び入力装置３７から構成されている。制御装置３３はカメラ２４の映像データを取り込んで演算処理装置３４及び／又は記録装置３５への該データの送出、並びに表示装置３６への表示データの送出を制御する。また、制御装置３３は光源体２５の点灯、消灯を制御する。

カメラ２４は、例えばＣＣＤを利用したカメラで、映像データを制御装置３３により、演算処理装置３４に直接送出できるために処理時間が短くオンライン処理が可能になっている。また、光源体２５は一本又は複数本の棒状蛍光灯を平行に並べて配置したもの、或いは矩形状に配置したものから構成されている。棒状蛍光灯は極細の蛍光灯が好ましく、また、装置の小型化をするためには短いものが好ましい。更に、光源体２５は蛍光灯の代わりに光誘導体でもよく、或いは平面状の発光体の前側にスリット孔を有するマスクを設けたものでもよい。

図２は本実施形態の実施例１の構成を示す。図２において、反射鏡２６は測定対象鏡面１０に垂直に配置した例を示す。測定対象鏡面１０は平面で、平面１０の一部に段差のある平面（凹凸部）１２が設けられたケースである。光源体（発光体）２５は紙面の前後方向に細長い棒状の蛍光灯である。発光体２５からカメラ２４のレンズ中心Ｏまでの距離をＤ１とし、反射鏡２６までの距離をＤとする。また、レンズ中心Ｏから光源体２５までの垂直距離をＨとし、測定対象鏡面１０までの垂直距離をＺとする。段差面（段差の上表面）１２は測定対象鏡面１０の上方ΔＺの位置にある。なお、Ｄ、Ｄ１及びＨは設計の際に定める定数である。ΔＺは測定する未知数である。

測定対象鏡面１０及び段差面は鏡面反射面であるから、発光体２５の測定対象鏡面１０および段差面による虚像Ｅ１、Ｅ１ａは各鏡面の下側で対称の位置（図示の位置）にある。また、虚像Ｅ１、Ｅ１ａの反射鏡２６による虚像Ｅ２及びＥ２ａは反射鏡２６の反対側図示の位置に来る。従って、発光体２５から発した光は図の実線及び点線で示した光路２５ａ、２５ｂを経由してレンズ中心Ｏに向かう。即ち、カメラ２４のレンズ中心線と水平線の角度をαとすれば、光路２５ａは角度αで入射し、光路２５ｂは角度（α−Δα）で入射する。

ここで、距離Ｚと角度αの関係を求めると（式１）が成立し、これから距離Ｚは（式弐）のようになる。更に、距離ΔＺと角度Δαの関係は（式３）となる。また、撮影画面における測定対象鏡面１０の像と段差面１２による像との偏差Δｘは、カメラレンズの焦点距離を「ｆ」とすれば、（式４）が成立する。従って、これらの関係から、Δｘを測定すればΔＺを求めることができる。即ち、撮影画面の像の歪から段差のある平面（凹凸部）１２の形状（一本の直線上における形状）が測定できる。

図３は本願の第２実施例を示す。図３ではカメラ２４のレンズ中心線が測定対象鏡面と平行に配置され、反射鏡２６が水平軸と角度βとなるように設けられ、発光体２５はカメラのレンズ中心Ｏより下方距離Ｈの点に設けられている。レンズ中心Ｏと発光体２５の距離をＤ１とし、発光体２５と反射鏡２６の水平軸上の点Ｍまでの距離をＤとする。ここで定数Ｄ、Ｄ１、Ｈ及びβは設計の際に定められる。測定対象鏡面１０はカメラのレンズ中心Ｏより下方距離Ｚの位置にある。発光体２５の測定対象鏡面１０による虚像Ｅ１は、図示のように、測定対象鏡面１０の反対側等距離の位置にある。また、虚像Ｅ１の反射鏡２６による虚像Ｅ２は反射鏡２６の反対側等距離の位置にある。従って、発光体２５から鏡面反射してレンズ中心Ｏに入射する光路は図の実線２５ａのようになる。

更に図３で、虚像Ｅ１と反射鏡までの距離をＬとすれば、虚像Ｅ１、Ｅ２の距離（Ｅ１、Ｅ２）は２Ｌである。Ｌの水平からの仰角度（図３参照）をγとすると、γ＝（π／２）−β が成立する。従って、角度γは角度βによって定まる定数である。また、レンズ中心線と虚像Ｅ１までの垂直距離をＷとすれば、Ｗ＝２Ｚ−Ｈ が成立する。従って、これらの関係から角度αと距離Ｚの関係を求めると（式５）が得られる。（式５）から距離Ｚを求めると（式６）となる。

図４は測定対象鏡面１０に段差（ΔＺ）の段差のある鏡面１２が存在する場合の光路を示す。点線で示した光路２５ａは測定対象鏡面１０及び反射鏡２６で鏡面反射した光路で、太実線で示した光路２５ｂは段差鏡面１２及び反射鏡２６で鏡面反射した光路である。虚像Ｅ１、Ｅ１ｃは発光体２５の測定対象鏡面１０及び段差鏡面１２に対する虚像である。また虚像Ｅ２及びＥ２ｃは夫々虚像Ｅ１、Ｅ１ｃの反射鏡２６に対する虚像である。光路２５ａ及び２５ｂのレンズ中心点Ｏに入射する入射角度は夫々α、（α−Δα）となる。段差（ΔＺ）が大きい場合はΔＺとΔαの関係は図４から求めることができる。しかし、一般的には段差（ΔＺ）は小さいので、ΔＺとΔαの関係は近似式（式７）から求められる。（式７）でＦ’（α）はＦ（α）のαに関する微分係数である。又Δαは実施例１で説明したように、（式４）を利用して撮影画面の像の歪（Δｘ）から求められる。結局、段差（ΔＺ）は歪（Δｘ）から計算により求めることができる。

以上に説明したように、実施例１及び実施例２によって撮影画面の像の歪（Δｘ）から段差（ΔＺ）を求めることができる。しかし、測定対象鏡面１０内の部分領域において複雑な形状の凹凸がある場合には上記した測定を少しずつ移動させて複数回走査しなければならない。以下に複数回の走査を必要としない測定装置について説明する。

図５は発光体２５を７本の細管蛍光灯｛２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ、２５ｇ｝を用いて周囲が長方形（又は正方形）に構成した実施例（実施例３）である。蛍光灯群２５の測定対象鏡面１０による虚像は虚像群｛Ｅ１｝として測定対象鏡面１０の下方等距離の位置に生じる。更に、虚像群｛Ｅ１｝の反射鏡２６による虚像群｛Ｅ２｝が反射鏡２６の裏側に生じる（図５参照）。従って、測定対象鏡面１０が完全平面である場合には７本の直線からなる撮影像がカメラ２４の撮影画面に生じる。従って、測定対象鏡面１０に凹凸等がある場合は歪んだ７本の直線からなる撮影像がカメラ２４の撮影画面に生じ、これらの歪状態から上記で説明した方法によって測定対象鏡面１０の凹凸等の歪みを計算で求めることができる。

なお、虚像群｛Ｅ２｝は１直線上に等間隔で配置されるが、カメラ２４のレンズ中心Ｏから遠いものほど入射角が小さくなるので、遠くにある蛍光灯の撮影画像ほど短くなる。このため、撮影像が台形に変形し、本来の歪との判断がわかり難くなる。この問題を解決するために、図６に示すように、蛍光灯群２５の外枠形状を予め台形に構成しておき、撮影像が長方形（又は正方形）になるように構成する。

図７（Ａ）は実施例２における反射鏡２６の角度β（横軸）と解像度（縦軸）の関係を示すグラフである。縦軸の解像度はカメラ２４の撮像面にＣＣＤを配設した場合に、１ピクセルで検出可能な高さの差（段差）を検出できるかを表している。従って、解像度が小さい（図の下方）ほど細かな測定ができることを意味する。図のグラフか約３０度の点がこのカーブの変曲点であり、反射鏡２６の角度βは約３０度にするのが好ましい。このときの解像度は０．０５４（ｍｍ／ピクセル）である。又図７（Ｂ）はレンズ中心Ｏから測定対象鏡面１０までの距離Ｚ（横軸）と解像度（縦軸）の関係を示すグラフ。このグラフからは、距離Ｚが小さいほど解像度がよくなっている。しかし、上記の解像度０．０５４（ｍｍ／ピクセル）との均衡から距離Ｚは５０（ｍｍ）前後にするのが好ましい。さらに、本装置を被接触方式で測定する場合には５０（ｍｍ）程度の距離が好ましいと考える。なお、上記の解像度は１６００ｘ１２００画素のカメラで５０ｍｍ角程度の領域を撮影した場合のデータである。

図８は角度調節器４０の１例を示した図である。角度調節器４０は、図１に示すように、ケース２３の外面に適宜に設けられている。図８（Ａ）は上から見た平面図で、図８（Ｂ）はＸ−Ｘ断面図を示す。３１は水準器で容器の中に液体と気泡が封入されており、地面に対して水平に置かれたときに気泡が容器の内側上面中央に来るように構成されている。容器３１の外周には軸３３が固設されている。３２はベアリングを兼用した環状体で軸３３を回転可能に支持している。軸３２の１端には調整用のつまみ３４が設けられており、つまみ３４に面して角度メモリ板３５が設けられている。又環状体３２の外周には軸３６が固設されており、軸３６の１端には調整用のつまみ３７と角度メモリ板３８が設けられている。この角度調節器４０はつまみ４４及び４７を適宜の角度に併せて固定し、容器４１内の気泡が中央面に来るようにケース２３の角度を調整すれば測定器４０を調整した角度に合わせることができる。

以上に本実施形態を詳細に説明したように、本実施形態（実施例１、実施例２）に依れば、光源体からカメラまでの光路を長くしても装置をコンパクトに構成できるという効果が得られる。また、実施例２では、入射角度をレンズの中心線近傍に集めることができるので、レンズの口径を小さくしたり、レンズの歪の小さい部分を使用することにより精度を上げることができるという効果等が得られる。

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。角度調節手段は上記の実施形態で説明したものに限定されない。

実施形態の全体装置の構成例を示す。 反射鏡を測定対象面に垂直に設けた例（実施例１）を示す。 カメラのレンズを測定対象面に平行に配置し、反射鏡を傾斜させて設けた例（実施例２）を示す。 実施例２で測定対象面に段差がある場合について説明した図である。 発光体（光源体）を矩形に構成した場合の説明図である。 発光体（光源体）を台形に構成した場合の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）解像度との関係を示す。 角度調節手段の例を示した図である。

符号の説明

１０ 測定対象面
１１ 被測定対象物
１２ 凹凸又は段差等
２１ 基本装置
２３ ケース
２４ カメラ
２５ 発光体（光源体）
２６ 反射鏡
２８ 角度調節器
３３ 制御装置
３４ 処理装置
３５ 記録装置
３６ 表示装置
３７ 入力装置
３４ 処理装置
４０ 角度調節器

Claims (10)

1. 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表面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する処理装置を具備した表面形状測定装置において、前記被測定対象面から前記カメラへの光路に反射鏡を設けたことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 前記反射鏡は、被測定対象面に対して略垂直方向に設けた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. 前記カメラのレンズ中心軸を前記被測定対象面に略平行に設けると共に、前記反射鏡は被測定対象面から反射された鏡面反射像がカメラレンズの中心に向くように配置したことを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
4. 前記光源体は１又は複数個の棒状発光体又は棒状光誘導体で構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１に記載の表面形状測定装置。
5. 前記光源体は平面発光体と１又は複数個のスリット孔を有するマスクで構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１に記載の表面形状測定装置。
6. 前記光源体は複数個の棒状発光体又は棒状光誘導体又はスリット孔を外枠が略正方形又は長方形になるように配置したことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１に記載の表面形状測定装置。
7. 前記光源体は複数個の棒状発光体又は棒状光誘導体又はスリット孔を外枠の撮影画像が略正方形又は長方形になるように台形状に配置したことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１に記載の表面形状測定装置。
8. 前記表面形状測定装置は被測定対象面と非接触状態で計測可能に構成したことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１に記載の表面形状測定装置。
9. 前記カメラ、前記光源体及び前記反射鏡は相互の位置関係をフレーム等で固定して構成したことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１に記載の表面形状測定装置。
10. 前記測定装置に水平角度を調節する角度調節器を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか１に記載の表面形状測定装置。
    

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