JP2015108582A - 3次元計測方法と装置 - Google Patents

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秀樹 桐井
Hideki Kirii
秀樹 桐井
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Abstract

【課題】簡単な構成で、測定対象の任意の複数箇所を同時に容易に測定可能な3次元計測方法と装置を提供する。
【解決手段】測定対象20に投光するための光源12と、光源12からの光を測定対象20に投光する照明光学系を有する。測定対象20を撮影する対物レンズ24と結像レンズ26とカメラ32とを備えた撮影装置を有する。照明光学系の投影レンズ16の焦点位置であって対物レンズ24の測定対象側焦点位置と共役の位置に設けられ、光源12からの光を任意の位置で測定対象20側に投光可能にするシャッタ装置14を備える。カメラ32で撮影した測定対象20の画像を処理して、測定対象20の複数の位置情報を演算する画像処理装置36と、画像処理装置36の指示によりシャッタ装置14の投光位置を制御するシャッタ制御装置38を備える。
【選択図】図1

Description

この発明は、光学的計測方法とイメージセンサを用いて、高さ寸法等の測定を行う3次元計測方法と装置に関する。
近年、例えば電子部品の製造工程において、製品寸法、部品位置や高さの良否を非接触で画像処理技術を用いて判定する計測装置が利用されている。この計測装置として、例えば特許文献1に開示されているように、スポット光を測定対象物表面で複数方向から走査し、その反射光を基に三角測量法により、検査対象製品の高さを算出する装置が用いられている。
しかし、このような計測装置の場合、測定対象の全範囲をレーザ光等により走査して情報を取り込み、演算処理をして所定部位の高さに関する値を算出しているため、計測時間がかかる上、データ量が多くなり、計算処理時間もかかるという問題があった。
一方、測定対象物を走査してデータを取得する方法以外の3次元測定法として、特許文献2に開示されているように、被測定物の表面に所定のパターンを投影して、3次元的形状測定を行う方法も利用されている。この測定によるパターン投影には、例えばDMD(digital
micromirror device)と称される投影装置が用いられている。DMDは、十数μmの微小なマイクロミラーを多数格子状に2次元的に配置して構成され、各マイクロミラーは2方向に傾斜可能に設けられている。その傾斜方向は、各マイクロミラーの直下に設けられたメモリ素子による静電界作用によって変化させるもので、静電気力を受けているマイクロミラーが第1の傾斜方向に傾斜し、静電気力を受けていないマイクロミラーは第2の傾斜方向に傾斜する。これにより、所望のマイクロミラーを所定の方向に傾斜させ、光の照射方向を制御するものである。
また、特許文献3に開示されているように、共焦点撮像系の内部に、同時並列に共焦点検出する多数の検出器の各検出器に対応するスポット光毎に、照射強度を調節可能な液晶ディスプレイ素子から成る画素単位調光機構を備え、画素単位で照明光の強さあるいは検出器への入射光量を制御可能とし、各部分毎に最適な照明光量とし、精度良く計測データを得ることができる装置も提案されている。
特開2002−243421号公報 特開平11−230726号公報 特開2000−275019号公報
上記特許文献2に開示された3次元計測方法の場合、DMDにより投影される位置を、予めDMDを制御する装置のメモリに登録しておく必要があり、測定対象の任意の箇所を選択的に測定することが容易でないと言う問題がある。また、特許文献3に開示された3次元測定方法も、スポット光毎に照射強度を調節可能ものであるが、測定対象の任意の箇所を選択的に測定するものではない。さらに、特許文献2,3に開示された測定方法の場合、測定対象物の配置や角度等の位置が変わると、照射光の位置設定をやり直す必要があり、制御用のメモリ等を設定し直して測定するので、多数の測定対象の位置が各々不安定な場合の測定や、短時間での計測や判定が求められる環境では測定時間がかかり利用できないものであった。
この発明は、上記背景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、測定対象の任意の複数箇所を同時に容易に測定可能な3次元計測方法と装置を提供することを目的とする。
この発明は、測定対象を撮影して、この測定対象の形状及び配置を認識する測定対象認識工程と、前工程により認識した前記測定対象上の複数の位置に対して、所定位置に設定された複数の点状の照射光をシャッタ装置を介して投光し、前記点状の照射光が前記測定対象の所定の位置で反射した各反射光をカメラにより撮影し、前記測定対象上での前記複数の位置情報を演算する位置情報演算工程とを有した3次元計測方法である。
前記位置情報演算工程は、前記測定対象認識工程で把握した個々の測定対象の位置の基準値に対する異なりを補正し、前記シャッタ装置の投光位置を制御して、前記照射光を前記測定対象の所定の位置に投光するものである。
またこの発明は、測定対象に投光するための光源と、この光源からの光を前記測定対象に投光する照明光学系と、前記測定対象を撮影する対物レンズと結像レンズとカメラとを備えた撮影装置と、前記照明光学系の投影レンズの焦点位置であって前記対物レンズの前記測定対象側焦点位置と共役の位置に設けられ前記光源からの光を任意の位置で前記測定対象側に投光可能にするシャッタ装置と、前記カメラで撮影した前記測定対象の画像を処理して、前記測定対象の複数の位置情報を演算する画像処理装置と、前記画像処理装置の指示により前記シャッタ装置の投光位置を制御するシャッタ制御装置とを備え、前記画像処理装置は、前記シャッタ装置を経て前記測定対象に照射された照射光の反射光を含む前記測定対象の画像により、前記測定対象の前記複数の位置情報を演算する3次元計測装置である。
前記対物レンズの光路上に、透光面が平行な平行部と一方の面に対して傾斜面を有するプリズム部とを有した台形プリズムを設け、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を、前記平行部を通過する前記反射光と、前記プリズムを通過する前記反射光とにより、三角測量法を用いて計測するものである。
前記結像レンズの前記カメラ側の光路上に、ビームスプリッタを設け、前記反射光を前記ビームスプリッタにより前記カメラへ投光するとともに、前記カメラと異なる測定用のカメラを設け、前記ビームスプリッタと間にシリンドリカルレンズを配置し、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を非点収差法により、前記測定用のカメラのイメージセンサに映る前記測定対象上の前記反射光形状の違いにより前記測定対象の位置情報を得るものである。
この発明の3次元計測方法と装置は、簡単な構造で、任意の複数位置の高さ情報等を容易に短時間で測定することができるものである。これにより、製造ライン上での多数の製品の形状測定や製品検査等を高速で行うことができる。
この発明の第一実施形態の3次元計測装置を示す概略図である。 第一実施形態の3次元計測方法による照射光の照射状態を示す概略斜視図である。 第一実施形態の3次元計測方法において、三角測量法を用いて3次元測定する方法を示す概略図である。 第一実施形態の三角測量法による照射光及び反射光の光路を示す模式図である。 この発明の第二実施形態の3次元計測方法において、非点収差法を用いて3次元測定する方法を示す概略図である。 第二実施形態の非点収差法により変化する照射光を示す上面図(a)、正面図(b)、及び焦点位置の照射光形状を示す拡大図である。
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4はこの発明の第一実施形態を示すもので、この実施形態の3次元計測装置10の基本的な構成は、図1に示すように、LEDやその他の光源12を有した同軸落射照明の照明光学系を備え、この光源12からの光を遮蔽するとともに任意の複数箇所の点でスポット光状の照射光Lとして透過または反射して投光する後述のシャッタ装置14を備える。さらにこの光学系は、測定対象20に光源12からの照射光を平行光にする投影レンズ16と、投影レンズ16の近傍に設けられた絞り18を備えている。さらに、絞り18を通過した光源12からの光を分岐させる半透明のビームスプリッタ22を備え、ビームスプリッタ22に対して測定対象20側には、対物レンズ24が設けられている。
ビームスプリッタ22に対して測定対象20とは反対側には、結像レンズ26が位置し、結像レンズ26の入射側には、絞り28が位置し、結像レンズ26の焦点位置にはC−MOSやCCD等のイメージセンサ30を備えたカメラ32が設けられている。測定対象20を撮影する対物レンズ24と結像レンズ26、及びカメラ32とにより撮影装置を構成している。この実施形態の撮影光学系は、テレセントリック光学系により構成されている。
シャッタ装置14は、液晶装置やDMDにより構成され、シャッタ装置14の位置は、対物レンズ24の測定対象20側の焦点位置と光学的に共役となる位置に設けられている。シャッタ装置14は、後述するシャッタ制御装置38によりマトリクス状に配置された液晶装置の画素やDMDの格子状に配列されたマイクロミラーにより、任意の箇所で透光可能、又は光を所定位置に反射するように制御される。以下、この実施形態では説明の簡略のため、シャッタ装置14により光源12の光が測定対象20側の所定位置に照射される状態を投光と表現する。
イメージセンサ30により捉えられた測定対象20の画像は、カメラ32内で所定のデジタルデータに処理されて、撮影画像メモリ34に出力され記録される。撮影画像メモリ34はコンピュータや画像処理回路素子により構成された画像処理装置36に接続され、画像処理装置36は、測定対象20の高さ情報等を後述の方法により演算可能に設けられている。さらに画像処理装置36は、シャッタ制御装置38に接続され、シャッタ装置14の投光位置を指示する。画像処理装置36には、画像処理した画像データ等を表示するモニタ40と、シャッタ制御装置38に対して投光位置を指定するための情報を画像処理装置36に入力するキーボードやマウス等の入力装置42も接続されている。
次に、この実施形態の3次元計測装置10を用いた高さ測定方法について以下に説明する。この実施形態での測定対象20は、例えば電子回路部品等の製品であり、回路基板表面に所定のチップ20aや素子20bが正確に取り付けられているか否か等を検査するものである。測定に際して、測定範囲、測定位置毎の良品データの範囲、測定対象20の形状等が、予め画像処理装置36にデータとして保持される。測定位置は、測定対象20の形状データの所定の原点から、相対的に設定される位置とする。ここでは、チップ20aや素子20bのあるべき所定位置が、測定対象20の所定の3次元測定位置である。
光源12からの照明光による照射光位置のキャリブレーション方法としては、例えば3次元計測装置10を組み立てた後、光源12からの光をシャッタ装置14の各画素毎等の最小投光単位毎に投光状態にして、液晶装置の各画素やDMDの行列配置による照射光の位置を、カメラ32の撮像画像上の位置として記録する方法等がある。これにより、後に照射光による投光を行う際の投光位置を、画像処理装置36で容易に演算可能とする。
検査対象20の測定に際しては、第1の工程として、測定対象20の互いに直交するXY軸平面上の位置をカメラ32で撮影し、その画像を、画像処理装置36により処理して、各測定対象20の位置について、基準値に対するその測定対象20の位置や傾きを把握する。この画像処理では、公知の画像処理方法を用いて、測定対象20の輪郭等を抽出して比較する測定を行うことにより、各位置情報を認識することができる。この後、認識した測定対象20のXY平面上の輪郭等による位置を基に、測定対象20の、基準位置に対する傾きを補正する演算等を行い、先に決定した基準位置に対する今回の3次元測定位置を補正した補正測定位置を設定する。
この後、第2の工程として、設定した補正測定位置に光源12からの複数の照射光L、例えば図2に示すように、2本の照射光La,Lbを、チップ20aや素子20bの所定位置に照射する。照射光La,Lbは、シャッタ装置14の液晶素子やマイクロミラー等のマトリクス状の各制御素子のうちの投光位置Sa,Sbを、投光可能状態に制御することにより形成する。照射光La,Lbは、測定対象20上の平面であるXY軸平面と直交するZ軸方向から測定対象20に照射される。ここでのシャッタ装置14の投光制御は、画像処理装置36による第1の工程での演算結果を基にした投光位置設定信号により、シャッタ制御装置38が、シャッタ装置14の所定の素子位置を投光可能に制御して、投光位置とすることにより行われる。
測定対象20のチップ20aや素子20bのあるべき所定位置で反射した、照射光La,Lbの反射光RLは、ビームスプリッタ22を透過して絞り28を通過し、結像レンズ26によりイメージセンサ30上に結像する。
イメージセンサ30上で結像した像を基にした高さ測定は、この実施形態では、公知の三角測量法を用いる。具体的には、図3,図4に示すように、対物レンズ24と測定対象20との間に台形プリズム44を配置する。ここで、第1の工程における撮像には、台形プリズム44の平行部44aを用いる。高さ測定には、照射光Lの反射光RLのうち台形プリズム44の平行部44aを通過する反射光RL1とプリズム部44bを透過するRL2とを利用する。
この三角測量法の原理は、図3,図4に示すように、平行部44aを通過した反射光RL1のイメージセンサ30上での位置は、測定位置のZ方向位置が変わっても変化しないが、反射光RL2は、照射光Lが照射されるZ方向位置が異なると、反射光RL2のイメージセンサ30上での結象位置が異なる。この変位は、図4に示すように、測定対象20の高さ方向(Z軸方向)の基準位置c1に対して、変位位置c2,c3のようにZ軸方向に位置が上下に変位した場合、反射光RL2は、プリズム部44bを通過する反射光RL2の位置が、基準位置c1からの反射光RL2(c1)と、変位位置からの反射光RL2(c2),RL2(c3)のように変位する。これにより、反射光RLは、XY軸方向に位置が、例えば反射光RL1,RL2で、X方向位置x1からX方向位置x2に対応して変位し、このXY軸上での変位がイメージセンサ30の各画素上での位置の変位として検知される。そして、測定対象20上でのZ軸方向の位置変位量と、それに対応したイメージセンサ30上の位置変位量との関係を予め求めて、画像処理装置36やそれに接続された記憶装置に記憶させておくことにより、容易に高さ情報を演算して得ることができる。
イメージセンサ30により得られた画像は、画像メモリ34に記憶され、この画像データを基に画像処理装置36により、Z軸方向の位置である高さ情報が計算され、記録されるとともにモニタ40に表示される。
この実施形態の3次元計測方法と装置によれば、簡単な装置で、複数の測定点での高さ方向(Z軸方向)の測定を行うことができ、測定対象20の所定位置で、あるべき部品の高さ位置を測定し、所定の高さ情報が得られない場合には不良と判断すること等により、製品検査等において、正確に不良品の検出を行うことができる。しかも、測定対象20の測定時の位置がずれている場合でも、第1の工程による撮影で、測定対象20の位置補正が行われ、第2の工程による複数箇所での照射光のLの照射位置を正確に修正して所定位置に照射することができ、想定対象20の所望位置での高さ測定を、容易且つ迅速に行うことができる。
次にこの発明の第二実施形態について、図5、図6を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の3次元計測装置46は、図5に示すように、高さ測定用にイメージセンサ50を備えた測定用カメラ52が設けられ、結像レンズ26と測定用カメラ52の間にビームスプリッタ54が設けられて、測定対象20からの反射光RLをカメラ32と測定用カメラ52に分岐させている。イメージセンサ50とビームスプリッタ54の間にはシリンドリカルレンズ56が配置されている。
この実施形態では、測定対象20のZ軸方向の変位情報を、シリンドリカルレンズ56を利用した非点収差法により測定するものである。この非点収差法は、シリンドリカルレンズ56により、測定対象20からの反射光RLの焦点位置付近での像形状が、その前後で変わることを利用して、Z軸方向の位置を測定するものである。反射光RLは、図6(a),(b)に示すように、レンズ面の円筒面の軸方向から見た焦点位置が、図6(a)と、それと直角方向から見た焦点位置図6(b)とでは、光軸方向に異なり、結果的に図6(c)に示すように、光軸方向の結象位置の違いがイメージセンサ50上での反射光の形状の違いとして表れる。反射光RLのイメージセンサ50上での反射光RLの形状は、図6(c)に示すように、前焦点位置A−Aの反射光像形状RL(A)から、中央位置B−Bの反射光像形状RL(B)、後焦点C−Cの反射光像形状RL(C)に変化する。この変化する反射光像の形状を、前焦点のA−A位置から後焦点C−C位置まで、予め所定の焦点位置毎に細かく段階的に記憶装置等に記憶させ、画像処理装置36により測定時の反射光像形状を基準形状等と比較することにより、測定対象20に対する照射光Lの照射位置の違いによる反射光RLの反射光像形状の違いとして、Z軸方向高さを相対的に測定することができる。
この実施形態の3次元計測装置46も、上記第一実施形態と同様の効果を有するものであり、多数の測定点のZ軸方向の情報も容易に取得可能なものである。
なお、この発明の3次元計測方法と装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、光源からの照射光は適宜の光源を選択することができ、測定対象の位置測定も、三角測量法や非点収差法以外の光学的測量法を利用することも可能である。
10 3次元計測装置
12 光源
14 シャッタ装置
16 投影レンズ
18,28 絞り
20 測定対象
22 ビームスプリッタ
24 対物レンズ
26 結像レンズ
30 イメージセンサ
32 カメラ
34 撮影画像メモリ
36 画像処理装置
38 シャッタ制御装置
L 照射光
RL 反射光

Claims (5)

  1. 測定対象を撮影して、この測定対象の形状及び配置を認識する測定対象認識工程と、前工程により認識した前記測定対象上の複数の位置に対して、所定位置に設定された複数の点状の照射光をシャッタ装置を介して投光し、前記点状の照射光が前記測定対象の所定の位置で反射した各反射光をカメラにより撮影し、前記測定対象上での前記複数の位置情報を演算する位置情報演算工程とを有したことを特徴とする3次元計測方法。
  2. 前記位置情報演算工程は、前記測定対象認識工程で把握した個々の測定対象の位置の基準値に対する異なりを補正し、前記シャッタ装置の投光位置を制御して、前記照射光を前記測定対象の所定の位置に投光する請求項1記載の3次元計測方法。
  3. 測定対象に投光するための光源と、この光源からの光を前記測定対象に投光する照明光学系と、前記測定対象を撮影する対物レンズと結像レンズとカメラとを備えた撮影装置と、前記照明光学系の投影レンズの焦点位置であって前記対物レンズの前記測定対象側焦点位置と共役の位置に設けられ前記光源からの光を任意の位置で前記測定対象側に投光可能にするシャッタ装置と、前記カメラで撮影した前記測定対象の画像を処理して、前記測定対象の複数の位置情報を演算する画像処理装置と、前記画像処理装置の指示により前記シャッタ装置の投光位置を制御するシャッタ制御装置とを備え、前記画像処理装置は、前記シャッタ装置を経て前記測定対象に照射された照射光の反射光を含む前記測定対象の画像により、前記測定対象の前記複数の位置情報を演算することを特徴とする3次元計測装置。
  4. 前記対物レンズの光路上に、透光面が平行な平行部と一方の面に対して傾斜面を有するプリズム部とを有した台形プリズムを設け、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を、前記平行部を通過する前記反射光と、前記プリズムを通過する前記反射光とにより、三角測量法を用いて計測する請求項3記載の3次元計測装置。
  5. 前記結像レンズの前記カメラ側の光路上に、ビームスプリッタを設け、前記反射光を前記ビームスプリッタにより前記カメラへ投光するとともに、前記カメラと異なる測定用のカメラを設け、前記ビームスプリッタと間にシリンドリカルレンズを配置し、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を非点収差法により、前記測定用のカメラのイメージセンサに映る前記測定対象上の前記反射光形状の違いにより前記測定対象の位置情報を得る請求項3記載の3次元計測装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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