JP2008261679A - 形状検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象物の雰囲気温度を反映させて高精度に形状測定ができるようにする。
【解決手段】光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを検査対象物１００の表面上に照射する光パターン照射装置２と、光パターンが照射された検査対象物１００の画像を撮影する撮影カメラ３と、検査対象物１００と光パターンとの相対位置関係を変化させる変位装置４と、検査対象物１００の雰囲気温度を制御可能な温度制御装置５と、撮影カメラ３及び温度制御装置５からの情報に基づいて検査対象物１００の各部位の高さ情報を算出する形状計測手段２１とを備え、形状計測手段２１は、温度制御装置５により検査対象物１００の雰囲気温度が予め決められた温度となった状態で、撮影カメラ３により検査対象物１００の画像を撮影させ、その少なくとも３つの画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により検査対象物１００の各部位の高さ情報を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相シフト法を用いた形状検査装置に関し、特に、雰囲気温度の変化により形状が変形しうる物の外観を検査するのに好適な装置に関するものである。

従来より、画像処理技術を用いてプリント基板の形状を測定し、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形状検査装置が種々提案されており、例えば、レーザ変位センサにより検査対象物の表面にレーザ光を走査させ、検査対象物の表面の起伏を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置によれば、検査対象物の形状を広範囲にわたって測定する場合、検査対象物の表面に対してレーザ光をジグザグに走査し、レーザ変位センサと測定スポットとの間の距離変化によって検査対象物の変形を検出して良否判定が行われる。

ところで、近年の製品開発においては、熱による変形を評価することは必須項目となってきており、特に、金属と樹脂とを組み合わせた部品等のように、互いに異なる熱特性を有する複数の材料で構成された複合部品を製造する場合には、設計段階から熱による変形を十分に把握しておく必要がある。例えば、電子デバイス分野では、部品供給メーカーにおいて部品設計時の熱シミュレーションで高温下における形状変化の測定及び評価を行い、実装メーカーにおいて半田による実装シミュレーションで高温下における形状変化の測定及び評価を行っている。
特開平７−１９８２２号公報

しかしながら、前述したレーザによる形状検査装置では、検査対象物の表面全体にわたってレーザ光を走査する必要があるため、検査対象物の表面情報を取得するのに時間がかかることとなる。そうすると、レーザ光の走査開始時点と、レーザ光の走査終了時点との間で温度が相違することが起こりえるため、ある時点における検査対象物の実際の形状と異なる形状が測定されてしまう恐れがある。

また、製造時に雰囲気温度が経時的に変化する状況下において部品の変形を把握するためには、前述したようにコンピュータによるシミュレーションが用いられているが、シミュレーションでは実験と異なり計算誤差が発生するため、高精度に熱変形を測定することができるようにすることが望まれる。

そこで、本発明は、検査対象物の雰囲気温度を反映させて精度良く形状測定ができる形状検査装置を提供することを目的としている。

本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る形状検査装置は、光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを検査対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、前記光パターン照射手段により光パターンが照射された前記検査対象物の画像を可視光で撮影する撮影カメラと、前記検査対象物と前記光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段と、前記検査対象物の雰囲気温度を制御可能な温度制御手段と、前記撮影カメラ及び前記温度制御手段からの情報に基づいて、予め決められた温度における前記検査対象物の各部位の高さ情報を算出する計測手段とを備え、前記計測手段は、前記温度制御手段により前記検査対象物の雰囲気温度が予め決められた温度となった状態で、前記変位手段により前記相対位置関係を変化させながら前記撮影カメラにより前記検査対象物の画像を少なくとも３つ撮影させ、その少なくとも３つの画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により前記検査対象物の各部位の高さ情報を算出することを特徴とする。

前記構成によれば、検査対象物の広範囲な面情報を画像により瞬間的に取得し、位相シフト法を用いて検査対象物の各部位の高さ情報を計測しているので、計測開始時点と計測終了時点との間で雰囲気温度が相違してしまうことが防止され、ある時点における検査対象物の実際の形状を精度良く計測することができる。また、計測手段は、温度制御手段により雰囲気温度が予め決められた温度となった状態で検査対象物の画像が撮影されているので、測定結果である高さ情報と雰囲気温度とを正確に関連付けることができる。したがって、前記形状検査装置によれば、検査対象物の雰囲気温度を正確に反映させた高精度な形状測定を行うことが可能となる。

前記温度制御手段により制御される前記検査対象物の雰囲気温度を経時的に変化させるように設定可能な温度変化設定手段と、前記撮影カメラにより前記検査対象物を撮影するタイミングを設定可能な計測タイミング設定手段とをさらに備えていてもよい。

前記構成によれば、検査対象物と同一の製品が実際に受ける経時的な温度変化を設定するために、例えば、温度変化設定手段により複数の時点に異なる温度を設定することで、実際と同様の温度環境下における検査対象物の変形を正確に把握することが可能となる。その際、計測タイミング設定手段により特定の時点を計測タイミングに設定することで、経時的な温度変化の影響を受けた検査対象物の特定の時点の形状を知ることが可能となる。

前記検査対象物が収容される閉鎖空間を形成する収容ケースをさらに備え、前記収容ケースの少なくとも一部が透明であり、前記撮影カメラは前記透明部分を通して前記検査対象物の表面を撮影するように構成されていてもよい。

前記構成によれば、簡素な構成でありながら閉鎖空間内の検査対象物の表面形状を容易に計測することが可能となる。

前記撮影カメラの撮影方向と同じ方向から前記検査対象物の温度分布画像を撮影する温度分布撮影カメラをさらに備え、前記計測手段は、前記温度制御手段により前記検査対象物の雰囲気温度が予め決められた温度となった状態で、前記温度分布撮影カメラにより前記検査対象物の温度分布画像を撮影させ、その温度分布画像に基づいて前記検査対象物の温度分布を求める構成であってもよい。

前記構成によれば、形状検査と併せて温度分布による検査対象物の検査も同時に行うことができ、複数の視点から見た総合的な検査を同時実施することが可能となる。

前記温度制御手段により制御される前記検査対象物の雰囲気温度を経時的に変化させるように設定可能な温度変化設定手段と、前記温度分布撮影カメラにより前記検査対象物の温度分布画像を撮影するタイミングを設定可能な計測タイミング設定手段とをさらに備えていてもよい。

前記構成によれば、検査対象物と同一の製品が実際に受ける経時的な温度変化を設定するために、例えば、温度変化設定手段により複数の時点に異なる温度を設定することで、実際と同様の温度環境下における検査対象物の温度分布を正確に把握することが可能となる。その際、計測タイミング設定手段により特定の時点を計測タイミングに設定することで、経時的な温度変化の影響を受けた検査対象物の特定の時点の温度分布を知ることが可能となる。

前記検査対象物が収容される閉鎖空間を形成する収容ケースをさらに備え、前記収容ケースの少なくとも一部が透明であり、前記温度分布撮影カメラは前記透明部分を通して前記検査対象物の表面の温度分布画像を撮影するように構成されていてもよい。

前記構成によれば、簡素な構成でありながら閉鎖空間内の検査対象物の表面の温度分布も容易に計測することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、検査対象物の雰囲気温度を正確に反映させた高精度な形状測定を行うことが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る形状検査装置１の全体図である。図１に示すように、形状検査装置１は、縞状の光パターンを検査対象物１００の下面に照射する光パターン照射装置２（光パターン照射手段）と、検査対象物１００の下面で反射した光パターンを可視光で受光して画像情報に変換する撮影カメラ３と、検査対象物１００と光パターンとの相対位置関係を変化させる変位装置４（変位手段）と、検査対象物１００の雰囲気温度を制御可能な温度制御装置５（温度制御手段）と、撮影カメラ３及び温度制御装置５からの情報に基づいて予め決められた温度における検査対象物１００の下面の各部位の高さ情報を算出し、検査対象物１００の良否を判定する演算処理装置６とを備えている。

光パターン照射装置２は、後述するテーブル７の法線に対して検査対象物１００の移動方向に所定角度傾斜させた方向から検査対象物１００の下面に光パターンを照射するように配置されている。この光パターンとしては、例えばレーザ干渉縞などが用いられる。光パターン照射装置２が光パターンを照射すると、検査対象物１００の下面に縞状の光パターンが形成される。この光パターンは、１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。

撮影カメラ３は、例えばＣＭＯＳイメージセンサからなり、後述するテーブル７の下方に配置されている。撮影カメラ３は、検査対象物１００が移動して撮影範囲に入った際に、検査対象物１００の下面に形成される光パターンを撮影するように構成されている。即ち、撮影カメラ３は、検査対象物１００の移動に同期して撮影可能に構成されている。

変位装置４は、上面に検査対象物１００を設置する透明板であるテーブル７と、このテーブル７を一方向に所定速度で直線移動させるモータ８とを備えている。テーブル７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。本実施形態のテーブル７は全体が透明であるが、少なくとも検査対象物１００が設置される部位が透明であればよい。テーブル７の上面には、断面逆凹形状の断熱性を有するカバー９が着脱可能に装着されている。つまり、テーブル７とカバー９とで収容ケース１８が構成されており、テーブル７とカバー９とで形成される閉鎖空間を検査対象物１００の収容空間１０としている。カバー９には、収容空間１０内の雰囲気温度を調節するためのヒータやクーラ等のような熱源１１が設けられている。また、カバー９には、収容空間１０内の雰囲気温度を均一化させるために空気を攪拌するファン１２が設けられている。さらに、カバー９には、収容空間１０内の雰囲気温度を検出する温度センサ１３が設けられている。そして、熱源１１及び温度センサ１３は温度制御装置５に接続されている。即ち、温度制御装置５は、温度センサ１３から受信する温度情報に基づいて熱源１１をフィードバック制御することで、収容空間１０内の雰囲気温度を高精度に制御可能としている。

また、形状検査装置１には、撮影カメラ３の撮影方向と同じ方向から検査対象物１００の下面の赤外線画像を撮影する赤外線カメラ１４（温度分布撮影カメラ）が設けられている。具体的には、撮影カメラ３は透明なテーブル７の法線方向の下方からハーフプリズム１５を透過して検査対象物１００を撮影するように配置されるとともに、赤外線カメラ１４はハーフプリズム１５で反射表示される検査対象物１００を撮影するように配置されることで、各カメラ３，１４の同軸化が図られている。

演算処理装置６は、撮影カメラ３及び温度制御装置５からの情報に基づいて予め決められた温度における検査対象物１００の下面の各部位の高さ情報を算出し、検査対象物１００の良否を判定する。また、演算処理装置６は、赤外線カメラ１４及び温度制御装置５からの情報に基づいて予め決められた温度における検査対象物１００の下面の各部位の温度分布を算出することによっても、検査対象物１００の良否を判定する。また、演算処理装置６には、良否判定結果などを画面表示する表示部１６と、良否判定結果などのデータを外部機器に出力するデータ出力部１７とが接続されている。

図２は図１に示す形状検査装置１の主に演算処理装置６を表したブロック図である。図２に示すように、演算処理装置６は、形状計測手段２１、形状判定手段２２、温度分布計測手段２３、温度分布判定手段２４、総合判定手段２５、温度変化設定手段２６、温度管理手段２７及び計測タイミング設定手段２８を備えている。具体的には、演算処理装置６は、ＣＰＵや、ＣＰＵが実行するプログラム及びプログラムに使用されるデータが記憶されているＲＯＭや、プログラム実行時にデータを一時記憶するためのＲＡＭや、書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ等のメモリや、入出力インターフェース等で構成されている。

形状計測手段２１は、変位装置４により検査対象物１００と光パターンとの相対位置関係が変化させられている状態で、光パターンが照射された検査対象物１００の画像を撮影カメラ３により連続して３つ撮影させ、その３つの画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により検査対象物１００の下面の各部位の高さ情報を算出する。ここで、位相シフト法とは、縞状の光パターンの位相を１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、この位相分布から検査対象物の高さ情報を得る公知の手法である（例えば、特開２００３−１２１１１５号公報参照）。形状判定手段２２は、形状計測手段２１により得られた高さ情報に基づいて検査対象物１００の良否を判定する。

温度分布計測手段２３は、撮影カメラ３による撮影動作と同期して赤外線カメラ１４により検査対象物１００の各部位の温度を測定させ、その温度情報に基づいて検査対象物１００の温度分布を算出する。温度分布判定手段２４は、温度分布計測手段２３により得られた温度分布情報に基づいて検査対象物１００の良否を判定する。

総合判定手段２５は、前述した形状判定と温度分布判定の両方で良品である判定されたか、形状判定と温度分布判定のいずれか又は両方で不良品であると判定されたかを更に判定する。

温度変化設定手段２６は、温度制御装置５により制御される検査対象物１００の雰囲気温度を経時的に変化させるようにユーザにより設定入力できる構成となっている。温度管理手段２７は、収容空間１０内の雰囲気温度を温度変化設定手段２６により予め設定された温度と一致させるように温度制御装置５に制御信号を送信する。計測タイミング設定手段２８は、撮影カメラ３により検査対象物１００を撮影するタイミングと、赤外線カメラ１４により検査対象物１００の赤外線画像を撮影するタイミングとをユーザにより設定入力できる構成となっている。

次に、形状検査装置１の処理動作について主に図３の流れに沿って説明する。図３は図１に示す形状検査装置１の処理手順を説明するフローチャートである。まず、ユーザは、形状検査装置１の演算処理装置６の温度変化設定手段２６により、収容空間１０内の雰囲気温度が図４に示すような経時的変化を辿るように、複数の時点における温度を設定する。図４は図１に示す形状検査装置１に設定される温度変化を表したグラフであり、例えば、検査対象物１００が製造中に温度の異なる複数の炉を通過することを模擬したものである。また、ユーザは、形状検査装置１の演算処理装置６の計測タイミング設定手段２８により、撮影カメラ３により検査対象物１００を撮影するタイミングと、赤外線カメラ１４により検査対象物１００の赤外線画像を撮影するタイミングと設定する。本実施形態では、例えば図４中の時刻ｔ５の時点を測定タイミングに指定することとする。

前記設定後にユーザが検査開始を入力すると、形状検査装置１は、収容空間１０内に検査対象物１００を設置した状態から、温度管理手段２７により温度制御装置５に指令して収容空間１０内の雰囲気温度に図４のような経時的変化を起こさせる（ステップＳ１）。そして、時刻ｔ５になった時点で撮影開始信号が発信され、形状検査と温度分布検査とが同時に平行して開始される。

形状検査について説明すると、まず、形状計測手段２１は、変位装置４により検査対象物１００と光パターンとの相対位置関係が変化させられている状態で、光パターンが照射された検査対象物１００の可視光線画像を撮影カメラ３により連続して３つ撮影させる（ステップＳ２）。次いで、形状計測手段２１は、その撮影された３つの画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により位相解析を行い、検査対象物１００の各部位の高さ情報を算出する（ステップＳ３）。次いで、形状判定手段２２が、その位相解析結果である高さ情報に基づいて、検査対象物１００の下面の変形等が適正な範囲内であるか否か、即ち、所定の良品基準を満たすか否かを判定する（ステップＳ４）。

また、温度分布検査について説明すると、まず、温度分布計測手段２３は、検査対象物１００の赤外線画像を赤外線カメラにより撮影させる（ステップＳ６）。次いで、温度分布計測手段２３が、その撮影された赤外線画像から図５（ａ）のような検査対象物１００の下面における温度分布を算出した後、温度分布判定手段２４が、検査対象物１００の下面の温度分布が適正な範囲内であるか否か、即ち、所定の良品基準を満たすか否かを判定する（ステップＳ７）。

最後に、総合判定手段２５は、形状判定手段２２の判定結果と温度分布判定手段２４の判定結果との両方が「良品」であった場合に、総合判定として検査対象物１００が「良品」である旨を表示部１６及びデータ出力部１７に出力する（ステップＳ９）。一方、総合判定手段２５は、形状判定手段２２の判定結果と温度分布判定手段２４の判定結果との少なくとも一方が「不良品」であった場合に、総合判定として検査対象物１００が「不良品」である旨を表示部１６及びデータ出力部１７に出力する（ステップＳ９）。この際、図５（ｂ）に示すように、温度分布計測手段２３により得られた温度分布と、形状計測手段２１により得られた三次元形状表示とを合成した結果も表示部１６に出力している。

以上に説明した構成によれば、検査対象物１００の広範囲な面情報を画像により瞬間的に取得し、位相シフト法を用いて検査対象物１００の各部位の高さ情報を計測しているので、計測開始時点と計測終了時点との間で雰囲気温度が相違してしまうことが防止され、ある時点における検査対象物１００の実際の形状を精度良く計測することができる。また、形状計測手段２１は、温度制御装置５により雰囲気温度が予め決められた温度となった時点で検査対象物１００の画像が撮影されているので、高さ情報と雰囲気温度とを正確に関連付けることができる。したがって、検査対象物１００の雰囲気温度を正確に反映させた高精度な形状測定を行うことが可能となる。

さらに、形状検査装置１には赤外線カメラ１４が設けられており、形状検査と併せて温度分布による検査も実施されるので、複数の視点から見た総合的な検査を同時実施することが可能となる。

また、形状検査装置１には、検査対象物１００と同一の製品が製造中に温度の異なる複数の炉を通過すること等により実際に受ける経時的な温度変化を模擬できるように、温度変化設定手段２６が設けられている。よって、実際と同様の温度環境下における検査対象物１００の形状及び温度分布を正確に把握することが可能となる。その際、計測タイミング設定手段２８により特定の時刻ｔ５を計測タイミングに設定することで、経時的な温度変化の影響を受けた検査対象物１００の特定の時点の形状及び温度分布を知ることが可能となる。

なお、本実施形態では収容ケース１８の底壁となるテーブル７を通して撮影カメラ３及び赤外線カメラ１４により撮影が行われる構成であるが、これに限定されず、収容ケース１８の少なくとも一部の壁面に画像撮影用の透明部があればよい。例えば、カバー９の上壁に透明部を設けてテーブル７を非透明とし、光パターン照射装置２、撮影カメラ３、赤外線カメラ１４及びハーフプリズム１５をカバー９の上方に配置し、検査対象物１００の上面の高さ情報及び温度分布を計測するようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る形状検査装置は、検査対象物の雰囲気温度を正確に反映させた高精度な形状測定を行うことができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる温度変化条件下における形状検査装置等に広く適用することができる。

本発明の実施形態に係る形状検査装置の全体図である。 図１に示す形状検査装置の主に演算処理装置を表したブロック図である。 図１に示す形状検査装置の処理手順を説明するフローチャートである。 図１に示す形状検査装置に設定される温度変化を表したグラフである。 （ａ）は図１に示す形状検査装置で求められた温度分布を表す図面、（ｂ）はその温度分布と三次元形状表示とを合成した出力結果を表す図面である。

符号の説明

１ 形状検査装置
２ 光パターン照射装置（光パターン照射手段）
３ 撮影カメラ
４ 変位装置（変位手段）
５ 温度制御装置（温度制御手段）
６ 演算処理装置
７ テーブル
９ カバー
１１ 熱源
１２ ファン
１３ 温度センサ
１４ 赤外線カメラ（温度分布撮影カメラ）
１５ ハーフプリズム
１８ 収容ケース
１００ 検査対象物

Claims (6)

1. 光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを検査対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、
   前記光パターン照射手段により光パターンが照射された前記検査対象物の画像を可視光で撮影する撮影カメラと、
   前記検査対象物と前記光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段と、
   前記検査対象物の雰囲気温度を制御可能な温度制御手段と、
   前記撮影カメラ及び前記温度制御手段からの情報に基づいて、予め決められた温度における前記検査対象物の各部位の高さ情報を算出する計測手段とを備え、
   前記計測手段は、前記温度制御手段により前記検査対象物の雰囲気温度が予め決められた温度となった状態で、前記変位手段により前記相対位置関係を変化させながら前記撮影カメラにより前記検査対象物の画像を少なくとも３つ撮影させ、その少なくとも３つの画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により前記検査対象物の各部位の高さ情報を算出することを特徴とする形状検査装置。
2. 前記温度制御手段により制御される前記検査対象物の雰囲気温度を経時的に変化させるように設定可能な温度変化設定手段と、
   前記撮影カメラにより前記検査対象物を撮影するタイミングを設定可能な計測タイミング設定手段とをさらに備えている請求項１に記載の形状検査装置。
3. 前記検査対象物が収容される閉鎖空間を形成する収容ケースをさらに備え、
   前記収容ケースの少なくとも一部が透明であり、前記撮影カメラは前記透明部分を通して前記検査対象物の表面を撮影するように構成されている請求項１又は２に記載の形状検査装置。
4. 前記撮影カメラの撮影方向と同じ方向から前記検査対象物の温度分布画像を撮影する温度分布撮影カメラをさらに備え、
   前記計測手段は、前記温度制御手段により前記検査対象物の雰囲気温度が予め決められた温度となった状態で、前記温度分布撮影カメラにより前記検査対象物の温度分布画像を撮影させ、その温度分布画像に基づいて前記検査対象物の温度分布を求める構成である請求項１乃至３のいずれかに記載の形状検査装置。
5. 前記温度制御手段により制御される前記検査対象物の雰囲気温度を経時的に変化させるように設定可能な温度変化設定手段と、
   前記温度分布撮影カメラにより前記検査対象物の温度分布画像を撮影するタイミングを設定可能な計測タイミング設定手段とをさらに備えている請求項４に記載の形状検査装置。
6. 前記検査対象物が収容される閉鎖空間を形成する収容ケースをさらに備え、
   前記収容ケースの少なくとも一部が透明であり、前記温度分布撮影カメラは前記透明部分を通して前記検査対象物の表面の温度分布画像を撮影するように構成されている請求項４又は５に記載の形状検査装置。

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