JP3678915B2 - Non-contact three-dimensional measuring device - Google Patents

Non-contact three-dimensional measuring device

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JP3678915B2
JP3678915B2 JP16109898A JP16109898A JP3678915B2 JP 3678915 B2 JP3678915 B2 JP 3678915B2 JP 16109898 A JP16109898 A JP 16109898A JP 16109898 A JP16109898 A JP 16109898A JP 3678915 B2 JP3678915 B2 JP 3678915B2
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章 佐藤
浩一 小松
俊雄 川崎
隆夫 川辺
保賜 市原
貞行 松宮
一浩 神戸
聰一 門脇
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株式会社ミツトヨ
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Description

【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
この発明は、CCDカメラ等の撮像手段でワークを撮像して得られた画像から被測定対象の輪郭形状等を測定する非接触画像測定機能と、ワークの測定面との距離を変位量として非接触に検出する非接触変位検出機能とを備えた非接触三次元測定装置に関する。 The invention includes a non-contact image measurement function of measuring a contour shape of the object to be measured from the image obtained by imaging the workpiece by the imaging means such as CCD cameras, non the distance to the measurement surface of the workpiece as displacement for non-contact three-dimensional measuring apparatus having a noncontact displacement detecting function of detecting a contact.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
従来より、精密部品の輪郭形状の測定等に画像測定装置が使用されている。 Conventionally, an image measuring apparatus is used for measurement of precision parts contour. 画像測定装置は、測定すべきワークをCCDカメラを用いて任意の拡大率で撮像し、得られた二次元画像からエッジを検出し、種々の計測ツールを用いて必要な箇所の座標値を求めるものである。 Image measuring apparatus to be measured workpiece using a CCD camera captured by any magnification, detects an edge from the resulting two-dimensional image to find coordinates of where needed using a variety of measurement tools it is intended. この画像測定装置でワークの高さ方向も含めた三次元測定を行う場合には、測定面の画像のコントラストから合焦判定を行って、この合焦位置を高さ方向の位置とする。 If this performed by the image measuring apparatus a three-dimensional measurement of the height direction including the workpiece performs a focus determination from contrast of the image of the measurement surface, to the focus position and the height direction position.
【0003】 [0003]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
LSIパッケージのような微細構造の実装部品は、パッケージの製造品質が歩留まりを決定する大きな要因となる。 Mounting components of the microstructure, such as an LSI package manufacturing quality of the package is a significant factor in determining the yield. このため、パッケージの各部を高精度に測定できる装置が望まれている。 Therefore, devices that can measure the various parts of the package with high accuracy is desired. 従来の画像測定装置では、合焦判定によって高さ方向(Z軸方向)の位置を測定するようにしているので、合焦判定の精度を上げるには比較的大きな画面の画像が必要であり、この結果、データ処理に時間がかかるという問題がある。 In the conventional image measuring device, since so as to measure the position in the height direction (Z axis direction) by the focus determination, to raise the accuracy of the focus determination requires images of a relatively large screen, as a result, there is a problem that data processing time is applied. また、CCDカメラの焦点深度は、レンズにもよるが、通常1乃至数μmであり、この範囲内では常に合焦点を判定してしまうため、測定誤差が大きいという問題がある。 Further, the depth of focus of the CCD camera, depending on the lens, is usually 1 to several [mu] m, within this range all times for thereby determining the focus, there is a problem that the measurement error is large.
【0004】 [0004]
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ワークを高速且つ高精度に三次元測定することができる非接触三次元測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a non-contact three-dimensional measuring device capable of measuring three-dimensional workpieces in high speed and high accuracy.
【0005】 [0005]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
本発明の第1の非接触三次元測定装置は、ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力すると共に合焦位置が三次元測定空間における特定の軸の位置として使用される撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を一定の位置関係を保って配置してなる撮像ユニットと、この撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置に駆動する撮像ユニット駆動機構と、前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元座標値として出力する位置検出手段と、 前記撮像手段を用いた前記ワークの画像測定においては、前記撮像手段の合焦位置を前記測定三次元空間における特定の軸の位置として取り込み、前記非接触変位計による前記特定の軸と同一方向の変位測定においては、前記非接触 The first non-contact three-dimensional measuring apparatus of the present invention, imaging focus position with by imaging the workpiece and outputs a two-dimensional image information for the image measurement is used as the position of the particular axis in three-dimensional measuring space an imaging unit for a means and detectable non-contact displacement gauge the distance between the predetermined measurement point on the workpiece as a displacement amount formed by arranging while maintaining its positional relationship, of the imaging unit measures the three-dimensional space an imaging unit driving mechanism that drives at any position, a position detecting means for outputting the position of the measurement three-dimensional space of the imaging unit as a three-dimensional coordinate values, in the image measurement of said workpiece using said imaging means takes the focus position of the imaging means as the position of the particular axis in the measuring three-dimensional space, wherein in the displacement measurement of the specific axis in the same direction by the non-contact displacement meter, the non-contact 位計が出力する変位量が常にゼロ又は所定の値を維持するように所定の測定軌道に沿って前記ワーク上の測定点を移動させるべく前記撮像ユニット駆動機構を制御して、前記位置検出手段からの三次元座標値を取り込むと共に前記撮像手段と前記非接触変位計との位置関係を用いることによりワークの倣い測定を実行する制御手段とを備えたことを特徴とする。 Position meter to control the imaging unit drive mechanism to move the measurement point on the workpiece along a predetermined measuring track as displacement outputs to always maintain zero or a predetermined value, said position detecting means characterized by comprising a control means for performing scanning measurement of a workpiece by using a positional relationship between the non-contact displacement meter and the imaging unit fetches three-dimensional coordinate values from.
【0006】 [0006]
また、本発明の第2の非接触三次元測定装置は、ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力すると共に合焦位置が三次元測定空間における特定の軸の位置として使用される撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を一定の位置関係を保って配置してなる撮像ユニットと、この撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置に駆動する撮像ユニット駆動機構と、前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元座標値として出力する位置検出手段と、 前記撮像手段を用いた前記ワークの画像測定においては、前記撮像手段の合焦位置を前記測定三次元空間における特定の軸の位置として取り込み、前記非接触変位計による前記特定の軸と同一方向の変位測定においては、前記 The second non-contact three-dimensional measuring apparatus of the present invention, the focusing position with by imaging the workpiece and outputs a two-dimensional image information for image measurements are used as the position of the particular axis in three-dimensional measuring space imaging means and a predetermined and imaging unit distance non-contact displacement meter detectable formed by arranging while maintaining its positional relationship as a displacement amount of the measurement point, the three-dimensional space the image pickup unit measurements on the workpiece that an imaging unit driving mechanism that drives at any position of the inner, position detecting means for outputting the position of the measurement three-dimensional space of the imaging unit as a three-dimensional coordinate values, the image measurement of said workpiece using the imaging means in the capture-focus position of the imaging means as the position of the particular axis in the measuring three-dimensional space, wherein the displacement measuring of the specific axis in the same direction by the non-contact displacement meter, the 接触変位計が検出する変位方向の軸を固定しつつ所定の測定軌道に沿って前記ワーク上の測定点を移動させるべく前記撮像ユニット駆動機構を制御して、前記非接触変位計が検出した変位量及び前記位置検出手段からの三次元座標値を取り込んで前記位置検出手段からの三次元座標値を前記非接触変位検出手段が検出した変位量で補正すると共に前記撮像手段と前記非接触変位計との位置関係を用いることによりワークの倣い測定を実行する制御手段と を備えたことを特徴とする。 Contact displacement meter and controls the imaging unit driving mechanism to move the measurement point on the along a predetermined measuring track while fixing the axial displacement direction of detecting the workpiece, said non-contact displacement gauge detects displacement the non-contact displacement meter and the imaging means is corrected by the displacement amount detected is the non-contact displacement detector three-dimensional coordinate values from the position detection means captures a three-dimensional coordinate values from the amount and the position detecting means characterized by comprising a control means for performing scanning measurement of a workpiece by using a positional relationship between.
【0007】 [0007]
本発明によれば、2種類の測定手段、即ち画像測定装置で使用される撮像手段と、レーザビーム等を利用した非接触変位計とを併設して1つの撮像ユニットを構成し、この撮像ユニットを各測定値に基づいて、撮像ユニット駆動機構で駆動するようにしている。 According to the present invention, two measuring means, namely an imaging unit used in the image measuring device, and features a non-contact displacement meter using a laser beam or the like to form one image pickup unit, the imaging unit the based on the measured values, and so as to drive the imaging unit driving mechanism. このため、撮像手段で比較的大きい範囲でワークの撮像を行って形状測定する一方、合焦判定が難しいワークの微小変位を非接触変位計で測定することが可能になる。 Therefore, while the shape performing imaging of the workpiece measured in a relatively large range in the image pickup means, it is possible to measure minute displacement of the hard-focus determination work in a non-contact displacement meter. 本発明によれば、撮像手段で得られた二次元画像情報を用いて測定軌道を容易に設定することができ、且つ設定された測定軌道に沿って非接触変位計がワークの変位量を測定していくので、高速で高精度のワークの倣い測定が可能になる。 According to the present invention, it is possible to easily set the measuring track using a two-dimensional image information obtained by the imaging means, and along the measuring track is set non-contact displacement meter measures the amount of displacement of the workpiece since going to allows scanning measurement precision of the work at high speed.
【0008】 [0008]
倣い測定の方法として、非接触変位計の変位量が常にゼロ又は所定の値を維持するように撮像ユニット駆動機構を制御して、位置検出手段からの三次元座標値を取り込むようにすると、非接触変位計の測定範囲に制限されない広い範囲の変位測定が可能になる。 As a method of scanning measurement, and controls the imaging unit driving mechanism as the displacement amount of the non-contact displacement meter always maintain zero or a predetermined value, when to capture the three-dimensional coordinate values ​​from the position detecting means, non displacement measuring a wide range that is not restricted to the measurement range of the contact displacement meter is possible. また、倣い測定の方法として、非接触変位形が検出する変位方向の軸を固定して、非接触変位計が検出した変位量及び位置検出手段からの三次元座標値を取り込むようにすると、非接触変位計の有する極めて高い測定精度による測定が可能になる。 Further, as a method of scanning measurement, by fixing the axial displacement direction non-contact displacement type is detected, the non-contact displacement meter to capture a three-dimensional coordinate values ​​from the displacement and the position detecting means detects a non allowing measurement by a very high measuring accuracy with a contact displacement meter.
【0009】 [0009]
なお、倣い測定の際の測定軌道は、予め決められた軌道、設計データ等を用いて自動設定する方法等が考えられるが、例えば長方形、螺旋形のように予め任意の形状を指定することも可能である。 The measurement track during scanning measurement is predetermined trajectory, a method like for automatically setting using the design data and the like are conceivable, for example, rectangular, also specify in advance any shape as spiral possible it is. 更に、非接触変位計としては、例えばワーク上にレーザビームスポットを照射してその反射光を受光することにより変位量を検出するレーザ変位計を用いることができる。 Further, as the non-contact displacement meter, it is possible to use a laser displacement meter for detecting a displacement amount by receiving the reflected light, for example, by irradiating a laser beam spot on the workpiece. また、非接触変位計は、例えばワーク上に光学系を介して光ビームを照射してその合焦位置と測定点とのずれ量がゼロになる前記光学系の移動量を変位量として出力する合焦方式の変位計を用いることができる。 The non-contact displacement meter, for example, outputs the movement amount of the optical system a deviation amount between the measurement point and its focus position by irradiating a light beam through the optical system onto the workpiece becomes zero as a displacement amount it can be used displacement meter focusing scheme.
【0010】 [0010]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.
図1は、この発明の一実施例に係る非接触三次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。 Figure 1 is a perspective view showing the overall configuration of a non-contact three-dimensional measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
この装置は、非接触画像測定機能と非接触変位測定機能とを備えた三次元測定機1と、この三次元測定機1を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム2とにより構成されている。 The apparatus includes a coordinate measuring machine 1 and a non-contact image measurement function and a non-contact displacement measurement function, as well as driving and controlling the coordinate measuring machine 1, by a computer system 2 to perform the required data processing It is configured.
【0011】 [0011]
三次元測定機1は、次のように構成されている。 Coordinate measuring machine 1 is configured as follows. 即ち、架台11上には、被測定対象であるワーク12を載置する測定テーブル13が装着されており、この測定テーブル13は、図示しないY軸駆動機構によってY軸方向に駆動される。 That is, on the gantry 11 is mounted measurement table 13 for mounting a workpiece 12 which is an object to be measured, the measuring table 13 is driven in the Y-axis direction by a Y-axis drive mechanism, not shown. 架台11の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム14,15が固定されており、この支持アーム14,15の両上端部を連結するようにX軸ガイド16が固定されている。 The side edge central portion of the pedestal 11 and support arms 14, 15 extending upward is fixed, X-axis guide 16 is fixed so as to connect both the upper end of the support arm 14, 15. このX軸ガイド16には、撮像ユニット17が支持されている。 The X-axis guide 16, the imaging unit 17 is supported. 撮像ユニット17は、図示しないX軸駆動機構によってX軸ガイド16に沿って駆動される。 The imaging unit 17 is driven along the X-axis guide 16 by an X-axis drive mechanism, not shown. コンピュータシステム2は、計測情報処理及び各種制御を司るコンピュータ21と、各種指示情報を入力するキーボード22、ジョイスティックボックス23及びマウス24と、計測画面、指示画面及び計測結果を表示するCRTディスプレイ25と、計測結果をプリントアウトするプリンタ26とを備えて構成されている。 The computer system 2 includes a computer 21 which controls the measurement information processing and various controls, a keyboard 22 for inputting various kinds of instruction information, a joy stick box 23 and a mouse 24, a CRT display 25 for displaying a measurement screen, instruction screen and measurement results, It is constituted by a printer 26 to print out the measurement results.
【0012】 [0012]
撮像ユニット17の内部は、図2に示すように構成されている。 Internal imaging unit 17 is configured as shown in FIG. 即ち、X軸ガイド16に沿って移動可能にスライダ31が設けられ、スライダ31に一体にZ軸ガイド32が固定されている。 That is, movable slider 31 is provided along the X-axis guide 16, Z-axis guide 32 is integrally fixed to the slider 31. このZ軸ガイド32には、支持板33がZ軸方向に摺動自在に設けられ、この支持板33に、画像測定用の撮像手段であるCCDカメラ34と、非接触変位計であるレーザプローブ35とが併設されている。 The Z-axis guide 32, the support plate 33 is provided slidably in the Z-axis direction, the supporting plate 33, the CCD camera 34 is an imaging means for image measurement, a laser probe is a non-contact displacement meter 35 and are juxtaposed. これにより、CCDカメラ34とレーザプローブ35とは、一定の位置関係を保ってX,Y,Zの3軸方向に同時に移動できるようになっている。 Thus, the CCD camera 34 and the laser probe 35, X while maintaining its positional relationship, Y, and to be able to 3 moving axially at the same time Z. CCDカメラ34には、撮像範囲を照明するための照明装置36が付加されている。 The CCD camera 34, the illumination device 36 for illuminating the imaging range is added. レーザプローブ35の近傍位置には、レーザプローブ35のレーザビームによる測定位置を確認するために、測定位置の周辺を撮像するCCDカメラ38と、レーザプローブ35の測定位置を照明するための照明装置39とが設けられている。 In the vicinity of the laser probe 35 in order to verify the measuring position by the laser beam of the laser probe 35, a CCD camera 38 for imaging the periphery of the measuring position, the lighting device for illuminating the measurement position of the laser probe 35 39 door is provided. レーザプローブ35は、撮像ユニット17の移動の際にレーザプローブ35を退避するための上下動機構40と、レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための回転機構41とにより支持されている。 Laser probe 35 includes a vertical movement mechanism 40 for saving the laser probe 35 during the movement of the imaging unit 17 is supported by a rotation mechanism 41 for adapting the direction of the laser beam to an optimal direction .
【0013】 [0013]
図3は、レーザプローブ35の詳細を示す図である。 Figure 3 is a diagram showing details of the laser probe 35. 半導体レーザ51から放射された光は、ビームスプリッタ52及び1/4波長板53を介したのち、コリメートレンズ54によって行光線とされ、ミラー55,56及び対物レンズ57を介してワーク12の測定部に光スポットを形成する。 Light emitted from the semiconductor laser 51 is, after through the beam splitter 52 and the quarter-wave plate 53, is a flat ascending rays by the collimator lens 54, measurement of the workpiece 12 via the mirrors 55, 56 and objective lens 57 to form a light spot on the part. ワーク12の測定部から反射された光は、ミラー56,55、コリメートレンズ54及び1/4波長板53の逆経路を辿ってビームスプリッタ52で反射され、エッジミラー58で上下に二分割される。 Light reflected from the measuring portion of the workpiece 12, the mirror 56 and 55, follow the reverse path of the collimator lens 54 and the quarter-wave plate 53 is reflected by the beam splitter 52, it is divided into two parts vertically by the edge mirror 58 . 上下に分割された光は、上下に配置された2分割受光素子59,60で検出される。 Light divided vertically is detected by the light receiving element 59 and 60 which are arranged vertically. 検出回路61は、2分割受光素子59,60からの出力信号をもとに対物レンズ57の焦点位置からワーク12の測定面62までのずれ量に応じた信号を出力する。 Detection circuit 61 outputs a signal corresponding to the shift amount based on the output signals from the light receiving element 59 and 60 from the focal position of the objective lens 57 to the measuring surface 62 of the workpiece 12. サーボ回路63は、検出回路61の検出出力に基づいて駆動機構64に対物レンズ57の駆動のための駆動信号を出力する。 The servo circuit 63 outputs a drive signal for driving the objective lens 57 in the driving mechanism 64 based on the detection output of the detection circuit 61. 対物レンズ57が上下動すると、変位検出器66の可動部材67が固定部材68に対して移動する。 When the objective lens 57 is vertically moved, the movable member 67 of the displacement detector 66 is moved relative to the fixed member 68. この移動量が変位量として出力される。 The movement amount is output as a displacement amount.
【0014】 [0014]
図4には、三次元測定機1及びコンピュータシステム2の構成を更に詳細に示した装置全体のブロック図が示されている。 Figure 4 is a block diagram of the whole apparatus showing a configuration of the coordinate measuring machine 1 and a computer system 2 in more detail is shown.
三次元測定機1において、画像測定用のCCDカメラ34及びレーザプローブ35の測定位置確認用のCCDカメラ35でワーク12を撮像して得られた画像信号は、それぞれA/D変換器71,72で多値画像データに変換されたのち、選択回路73によっていずれか一方が選択されてコンピュータ21に供給される。 The coordinate measuring machine 1, image signals obtained by imaging the workpiece 12 with the CCD camera 34 and CCD camera 35 of the measuring position for checking of the laser probe 35 for image measurement, respectively A / D converter 71 in after being converted to multi-level image data is supplied to either one is selected by the computer 21 by the selection circuit 73. CCDカメラ34,38の撮像に必要な照明光は、コンピュータ21の制御に基づき、照明制御部74,75が照明装置36,39をそれぞれ制御することにより与えられる。 Illumination light required for imaging the CCD camera 34, 38, under the control of computer 21, the illumination control unit 74, 75 is provided by controlling the lighting device 36 and 39 respectively. レーザプローブ35から得られた変位量の信号は、A/D変換器76を介してコンピュータ21に供給される。 Displacement of the signal obtained from the laser probe 35 is supplied to the computer 21 via the A / D converter 76. そして、これらを含む撮像ユニット17が、コンピュータ21の制御に基づいて動作するXYZ軸駆動部77によってXYZ軸方向に駆動される。 The imaging unit 17 including these is driven in the XYZ-axis direction by the XYZ axes drive unit 77 which operates under the control of computer 21. 撮像ユニット17のXYZ軸方向の位置は、XYZ軸エンコーダ78によって検出され、コンピュータ21に供給される。 Position of the XYZ-axis direction of the imaging unit 17 is detected by the XYZ-axis encoder 78, it is supplied to the computer 21.
【0015】 [0015]
一方、コンピュータ21は、制御の中心をなすCPU81と、このCPU81に接続される多値画像メモリ82、プログラム記憶部83、ワークメモリ84及びインタフェース85,86と、多値画像メモリ81に記憶された多値画像データをCRTディスプレイ25に表示するための表示制御部87とにより構成されている。 On the other hand, the computer 21 includes a CPU 81 which forms the center of the control, the multivalued image memory 82 connected to the CPU 81, the program storage unit 83, a work memory 84 and interfaces 85 and 86, stored in the multivalued image memory 81 It is constituted by a display control unit 87 for displaying the multi-valued image data on the CRT display 25. CPU81は、画像測定モードとレーザ測定モードとで選択回路73を切り換える。 CPU81 switches the selection circuit 73 in the image measurement mode and the laser measuring mode. 選択回路73で選択された画像測定用の多値画像データ又はレーザ測定用の多値画像データは、多値画像メモリ82に格納される。 Multivalued image data of multivalued image data or the laser measurement for image measurement selected by the selecting circuit 73 is stored in the multivalued image memory 82. 多値画像メモリ82に格納された多値画像データは、表示制御部87の表示制御動作によってCRTディスプレイ25に表示される。 Multivalued image data stored in the multivalued image memory 82 is displayed on the CRT display 25 by the display control operation of the display control unit 87. 一方、キーボード22,ジョイスティック23及びマウス24から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース85を介してCPU81に入力される。 On the other hand, instruction information of an operator input from the keyboard 22, a joystick 23 and the mouse 24 are inputted to the CPU81 through the interface 85. また、CPU81には、レーザプローブ35で検出された変位量やXYZ軸エンコーダ78からのXYZ座標情報等を取り込む。 Further, the CPU 81, takes in the XYZ coordinate information and the like from the displacement amount and the XYZ-axis encoder 78 detected by the laser probe 35. CPU81は、これらの入力情報、オペレータの指示及びプログラム記憶部83に格納されたプログラムに基づいて、XYZ軸駆動部77によるステージ移動、測定値の演算処理等の各種の処理を実行する。 CPU81, these input information, based on a program stored in the instruction and the program storage unit 83 of the operator, the stage movement by XYZ-axis driving unit 77, executes various processes of the arithmetic processing of the measured values. ワークメモリ84は、CPU81の各種処理のための作業領域を提供する。 Work memory 84 provides a work area for various processes CPU 81. 測定値は、インタフェース86を介してプリンタ26に出力される。 Measurements are outputted to the printer 26 through the interface 86.
【0016】 [0016]
次に、このように構成された本実施例に係る非接触三次元測定装置の測定処理及びデータ処理について説明する。 Next, description will be given of a measurement processing and data processing of the non-contact three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment having such a configuration. この装置では、画像測定モードとレーザ測定モードとを備えている。 This apparatus includes an image measuring mode and the laser measuring mode. 画像測定モードでは、従来の画像測定装置と同様の動作がなされるので、ここでばレーザ測定モードについて説明する。 The image measuring mode, the same operation as the conventional image measuring device is made, now to fly laser measuring mode.
【0017】 [0017]
図5は、レーザ測定モードによる倣い測定の手順を示すフローチャートである。 Figure 5 is a flowchart showing a procedure of a copying by laser measurement mode measurement. まず、画像測定用画像とレーザプローブ35の校正を行う(S1)。 First, the calibration image measurement image and the laser probe 35 (S1). 即ち、三次元測定機1のステージ13上に、図6に示すようなCCDカメラ34及びレーザプローブ35で測定可能な行でない2本の直線成分L1,L2を含む治具91を載置する。 That is, on the stage 13 of the coordinate measuring machine 1, placing the jig 91 including the CCD camera 34 and the two linear components flat non rows that can be measured with the laser probe 35 L1, L2 as shown in FIG. 6 . この治具91は、例えば基板92上に所定幅hの台形パターン93を配置したようなものでよい。 The jig 91 may be such as to place the trapezoid pattern 93 having a predetermined width h, for example a substrate 92 on. CCDカメラ34及びレーザプローブ35によりZ軸方向の投影面内で直線L1,L2をそれぞれ測定してこれら直線の方程式をそれぞれ求め、得られた式を演算処理することにより、CCDカメラ34及びレーザプローブ35の各座標軸間のオフセット値を求め、このオフセット値をCCDカメラ34及びレーザプローブ35の位置校正データとして用いる。 By then measuring respectively the straight line L1, L2 in the projection plane of the Z-axis direction determine the equation of these straight lines, and processing the resulting equation by the CCD camera 34 and the laser probe 35, the CCD camera 34 and the laser probe It obtains an offset value between the coordinate axis 35, using the offset value as the position calibration data of the CCD camera 34 and the laser probe 35.
【0018】 [0018]
校正処理が終了したら、次に、ワーク12を画像測定してワーク12の位置を確認し、レーザプローブ35による測定点を測定開始点に移動する(S2)。 Once the calibration process is finished, then the work 12 was image measuring Locate the workpiece 12 to move the measuring point by the laser probe 35 to the measurement starting point (S2). 画像測定の際には、レーザプローブ35がワーク12と干渉する可能性があるので、画像測定中は、上下動機構40によってレーザプローブ35を上に退避させる。 During image measurement, the laser probe 35 may interfere with the workpiece 12, in the image measuring evacuates the laser probe 35 on the vertical movement mechanism 40. 制御は例えばエアーシリンダにより行われる。 Control is performed by, for example, an air cylinder. 次にレーザ測定モードを選択すると(S3)、選択回路73が切り替わり、CRTディスプレイ25の画面はCCDカメラ34からレーザ測定用のCCDカメラ38の画面となる。 Next Selecting laser measuring mode (S3), the selection circuit 73 is switched, the screen of the CRT display 25 is the screen of the CCD camera 38 of the laser measured from the CCD camera 34. この画面により、レーザプローブ36からのレーザビームスポットの位置(測定位置)を確認する(S4)。 This screen confirms the position of the laser beam spot from the laser probe 36 (measurement position) (S4). ここで、ジョイスティック23やマウス24等を使用してビームスポットの位置を微調整することもできる。 Here, it is also possible to finely adjust the position of the beam spot using the joystick 23 or the mouse 24 or the like. なお、CCDカメラ38は、レーザビームスポットが正しくワーク12上の目標位置に当たっているかどうかを確認するためのものであるから、その画像データは測定には使用しない。 Incidentally, CCD camera 38, since the laser beam spot is intended to determine whether the hit to a target position on correctly workpiece 12, the image data is not used for the measurement. このため、画像測定用のCCDカメラ34のように高精細なものである必要はない。 Therefore, no need is one high-definition as a CCD camera 34 for image measurement. また、レーザの光だけでは、レーザスポットの位置だけが明るく見え、その周りは暗くなってきれいな画像が得られないので、専用の照明装置39に切り換える。 In addition, only the light of the laser, only the position of the laser spot is brightly seen, because the surroundings are not beautiful image is obtained after dark, it switches to the illumination device 39 dedicated. 勿論、CCDカメラ38及び照明装置39をCCDカメラ34及び照明装置36と兼用することも可能である。 Of course, it may also serve the CCD camera 38 and a lighting device 39 and the CCD camera 34 and a lighting device 36.
【0019】 [0019]
次に、倣い測定の経路を与えるため、測定ツールを選択し、必要なパラメータを設定する(S5)。 Next, in order to provide a path of scanning measurement, to select the measurement tool, it sets the necessary parameters (S5). 測定ツールとしては、例えば図7に示すようなものが考えられる。 As a measuring tool, it can be considered for example as shown in FIG.
(a)点ツール現在の測定点(黒丸)のX,Y,Z座標値を測定する。 X of (a) point tools current measurement point (black circle), Y, measuring the Z coordinate value.
(b)直線ツール終点位置Peを与えて、現在の測定点から終点Peまでの直線上を倣い測定する。 (B) giving linear tool end point position Pe, to scanning measurement on a straight line from the current measuring point to the end point Pe.
(c)領域ツール領域検索の幅W、高さH、ピッチPT1,PT2を与えて、現在の測定点から指定領域内を指定ピッチで往復運動しながら倣い測定する。 Width W of the (c) areas tool area search, giving the height H, pitch PT1, PT2, for scanning measurement while reciprocating the designated region at a specified pitch from the current measurement point.
(d)円ツール半径R、ピッチPT、開始角度θを与えて、現在の測定点から同心円上を倣い測定する。 (D) £ tool radius R, a pitch PT, giving start angle theta, measured copying on concentric from the current measurement point.
(e)長方形ツール幅Wと高さHを与えて、長方形に沿って倣い測定する。 Giving (e) rectangle tool width W and height H, measured scanning along the rectangle.
(f)クロスツール互いに直交する2つの線分の長さL1,L2を与えて、十字上を倣い測定する。 (F) of the two line segments perpendicular cross tools together gives the length L1, L2, for scanning measurement on a cross.
(g)螺旋ツール最大半径R及びピッチRT(1回転で増加する半径値)を与えて、螺旋状を倣い測定する。 (G) spiral tool maximum radius R and (radius value that increases by one rotation) pitch RT given the measured scanning the spiral.
(h)フォーカスツール現在位置で単にフォーカスをとる。 (H) simply take the focus in the focus tool current position.
【0020】 [0020]
測定ツールが選択され、必要なパラメータが設定されたら、倣い測定を実行する(S6)。 Measurement tool is selected, if required parameters are set, executes the scan measuring (S6). レーザプローブ35の変位検出精度には、若干の方向性がある。 The displacement detection accuracy of the laser probe 35, there are some directionality. このため、軌道に沿って輪郭や表面粗さを測定するときは、この軌道の進む方向に対してレーザプローブ35が最適な方向を向くように、レーザプローブ35を回転機構41によって回転させる。 Therefore, when measuring along the track contour and surface roughness, so that the laser probe 35 relative to the direction of travel of the track is oriented optimum direction to rotate the laser probe 35 by a rotation mechanism 41. 円軌道や螺旋軌道に沿って測定する場合には、レーザプローブ35を回転させながら測定するとより効果的である。 When measuring along a circular orbit and a helical trajectory, it is more effective to measure while rotating the laser probe 35.
【0021】 [0021]
倣い測定に際しては、レーザプローブ35の測定範囲内、例えば±0.5mmの範囲を超えてZ軸方向の座標値が得られるよう、例えば図8に示すように、レーザプローブ35からの変位量に基づいてXYZ軸駆動部77を駆動して、撮像ユニット17のZ軸方向位置を上下させる。 In the scanning measurement is within the measurement range of the laser probe 35, for example, so that the coordinate values ​​of the Z-axis direction is obtained over a range of ± 0.5 mm, for example, as shown in FIG. 8, the displacement from the laser probe 35 based drives the XYZ-axis driving unit 77, raise or lower the Z-axis direction position of the imaging unit 17. これにより、レーザプローブ35の合焦位置が常に測定範囲の中心になるように制御する。 Thereby controlling so focusing position of the laser probe 35 is always in the center of the measurement range. この場合、XYZ軸エンコーダ78で得られるZ軸座標値がZ軸方向の変位量となる。 In this case, Z-axis coordinate value obtained in XYZ-axis encoder 78 is the displacement amount in the Z-axis direction. Z軸方向の位置制御が間に合わないような高速の測定を行うには、Z軸座標値をレーザプローブ35の変位量で補正して正しい変位量を算出すればよい。 To perform high-speed measurement such as the position control in the Z axis direction can not keep up, may be calculated correct displacement amount to correct the Z-axis coordinate value in the amount of displacement of the laser probe 35. また、レーザプローブ35の測定範囲内の微小な表面粗さを計測する場合には、図9に示すように、レーザプローブ35のZ軸方向位置を固定して、レーザプローブ35内の対物レンズ57の駆動制御のみで対応することができ、この場合、更に高速な処理が可能であると共に、Z軸駆動による分解能(例えば0.1μm)よりも高分解能(例えば0.01μm)の測定が可能になる。 Further, when measuring a small surface roughness in the measurement range of the laser probe 35, as shown in FIG. 9, by fixing the Z-axis direction position of the laser probe 35, the objective lens of the laser probe 35 57 can corresponding only drive control, in this case, further with which enables high-speed processing, to allow measurement of a resolution higher than the resolution (e.g., 0.1 [mu] m) by Z-axis drive (e.g. 0.01 [mu] m) Become. このような倣い測定により、指定された測定軌道に沿って所定の間隔でZ軸方向の座標値がX,Y軸座標値と共に点列データとして求められ、これがワークメモリ84に格納される。 Such scanning measurement, the coordinate values ​​of the Z-axis direction at predetermined intervals along the specified measurement trajectory X, obtained as point sequence data together with the Y-axis coordinate value, which is stored in the work memory 84. 点列データが求められたら点列データの解析処理を実行する(S7)。 The point sequence data to perform analysis processing of point sequence data when prompted (S7).
【0022】 [0022]
次に、点列データの解析処理について説明する。 It will now be described analyzing process of point sequence data. 従来の輪郭形状測定機や表面粗さ測定機は、二次元データであるのに対し、この非接触三次元測定装置で得られる輪郭形状測定データは、三次元データである。 Conventional contour measuring instrument and a surface roughness measuring machine, whereas the two-dimensional data, the contour shape measurement data obtained by the non-contact three-dimensional measuring apparatus is a three-dimensional data. しかも、指定二次元軌道に沿った倣い測定を行うため、データ処理はより複雑化する。 Moreover, in order to perform scanning measurement along the specified two-dimensional trajectory, data processing is more complex. そこで、データ処理を簡単化するために、次のような点列データの解析処理を実行する。 Therefore, in order to simplify the data processing, it executes the analyzing process of the sequence data the following points. 図10のフローチャート及び図11の波形図に基づいて、この点列データの解析処理について説明する。 Based on the waveform diagram of the flowchart and 11 in FIG. 10 will be described analyzing process of the point sequence data.
【0023】 [0023]
まず、ワーク12自体が傾いている場合があるので、点列データから平均面(直線の場合は平均線)を求めて、この面に対してデータのトレンド補正を実行する(S11)。 First, because if there is the work 12 itself is tilted, (in the case of straight mean line) from the point sequence data mean surface seeking to perform a trend correction data to the surface (S11). これにより図11(a)に示すような傾いた点列データから同図(b)に示すトレンド補正された点列データが得られる。 Thus Trend corrected point sequence data shown in FIG. 4 (b) from tilted point sequence data as shown in FIG. 11 (a) is obtained. 次に、測定軌道に沿って進行方向を第1軸方向、上記平均面の法線方向を第2軸方向として、三次元の点列データを二次元の点列データに変換する(S12)。 Next, the first axis direction traveling along the measuring track, the normal direction of the average surface as a second axial converts point sequence data of the three-dimensional to a two-dimensional point sequence data (S12). これにより、図11(c)のようなデータが得られる。 Thus, data such as shown in FIG. 11 (c) is obtained. この点列データは、測定軌道に沿った加減速を伴う走査によって得られているので、定ピッチではない。 The point sequence data, since obtained by scanning with the acceleration and deceleration along the measuring track is not a constant pitch. 定ピッチでないとFFT(高速フーリエ変換)や形状測定機などで通常使用されているガウシアン(Gaussian)フィルタ処理を実行することができないので、ここでは定ピッチ化処理を実行する(S13:図11(d))。 It is not possible to perform a Gaussian (Gaussian) filter, which is normally used in such the non-constant pitch FFT (fast Fourier transform) and the shape measuring machine, wherein the performing a constant pitch processing (S13: Fig. 11 ( d)). 次に、ガウシアンフィルタ処理を実行する(S14:図11(e))。 Next, to perform a Gaussian filter process (S14: Fig. 11 (e)). そして、定ピッチ化されたデータをもとの位置(不定ピッチの位置)に戻す(S15:図11(f))。 Then, back to the original position a constant pitch data (position of indefinite pitch) (S15: Fig. 11 (f)). 次に、ステップS12で変換された二次元データをもとの測定軌道位置(XY位置)上へ戻すための二次元→三次元変換を実行する(S16:図11(g)。最後に、ステップS11のデータトレンド補正により処理された傾きの補正をもとに戻し、本来ワーク12が傾いている方向へデータを変換する(S17:図11(h))。 Next, to perform a two-dimensional → three-dimensional conversion for the converted two-dimensional data has been returned to the original measurement orbital position (XY position) above in step S12 (S16:. Figure 11 (g) Finally, step S11 based on returning the tilt correction that has been processed by the data trend correction, converts the data into a direction which is inclined original work 12 (S17: Fig. 11 (h)).
【0024】 [0024]
以上の処理により、三次元点列データのフィルタリングを容易に行うことができる。 By the above processing, it is possible to perform filtering of the three-dimensional point sequence data easily. また、ステップS14の処理後のデータは、定ピッチでフィルタ処理された二次元データであるから、通常の輪郭形状測定機や表面粗さ測定機等で行われているような各種解析処理が可能になる。 Also, data processed in step S14, the filter because it is processed into two-dimensional data, can be variously analysis as performed in the normal contour shape measuring machine or a surface roughness measuring machine or the like at a constant pitch become.
【0025】 [0025]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
以上述べたようにこの発明によれば、2種類の測定手段、即ち画像測定装置で使用される撮像手段と、レーザビーム等を利用した非接触変位計とを併設して1つの撮像ユニットを構成し、この撮像ユニットを各測定値に基づいて、撮像ユニット駆動機構で駆動するようにしているため、撮像手段で比較的大きい範囲でワークの撮像を行って形状測定する一方、合焦判定が難しいワークの微小変位を非接触変位計で測定することが可能になる。 According to the present invention as mentioned above, arrangement of two measuring means, namely an imaging unit used in the image measuring apparatus, one of the image pickup unit features a non-contact displacement meter using a laser beam or the like and, based on the imaging unit in each measurement, because you have to drive the imaging unit driving mechanism, while, it is difficult focus determination for shape measurement by performing imaging of the workpiece at a relatively large range in the image pickup means it is possible to measure minute displacement of the workpiece in a non-contact displacement meter. このため、本発明によれば、撮像手段で得られた二次元画像情報を用いて測定軌道を容易に設定することができ、且つ設定された測定軌道に沿って非接触変位計がワークの変位量を測定していくので、高速で高精度のワークの倣い測定が可能になるという効果を奏する。 Therefore, according to the present invention, it is possible to easily set the measuring track using a two-dimensional image information obtained by the imaging unit, and set measurement track non-contact displacement meter along the displacement of the workpiece since going to measure the amount, there is an effect that it is possible to scan measuring precision of the work at high speed.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】 本発明の一実施例に係る非接触三次元画像測定装置の斜視図である。 1 is a perspective view of a non-contact three-dimensional image measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
【図2】 同装置における撮像ユニットの内部の斜視図である。 2 is a perspective view of the interior of the imaging unit in the apparatus.
【図3】 同装置におけるレーザプローブの構成を示す図である。 3 is a diagram showing a laser probe configuration in the apparatus.
【図4】 同装置の全体ブロック図である。 Figure 4 is an overall block diagram of the apparatus.
【図5】 同装置によるレーザ測定の手順を示すフローチャートである。 5 is a flowchart illustrating a procedure of a laser measurement by the apparatus.
【図6】 同装置における画像とレーザプローブの校正方法を説明するための図である。 6 is a diagram for explaining a method of calibrating an image and laser probe in the apparatus.
【図7】 同装置で使用される測定ツールの例を示す図である。 7 is a diagram showing an example of a measurement tool used in the apparatus.
【図8】 同装置の倣い測定の一例を説明するための図である。 8 is a diagram for explaining an example of a scanning measurement of the device.
【図9】 同装置の倣い測定の他の例を説明するための図である。 9 is a diagram for explaining another example of the scanning measurement of the device.
【図10】 同装置の点列データ解析処理のフローチャートである。 10 is a flowchart of point sequence data analysis process of the same device.
【図11】 同解析処理を説明するための図である。 11 is a diagram for explaining the analysis process.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
1…三次元測定機、2…コンピュータシステム、11…架台、12…ワーク、13…測定テーブル、14,15…支持アーム、16…X軸ガイド、17…撮像ユニット、21…コンピュータ、22…キーボード、23…ジョイスティックボックス、24…マウス、25…CRTディスプレイ、26…プリンタ、34,38…CCDカメラ、35…レーザプローブ、36,39…照明装置。 1 ... coordinate measuring machine, 2 ... computer system, 11 ... frame, 12 ... workpiece, 13 ... measurement table, 14, 15 ... support arm, 16 ... X-axis guide 17 ... imaging unit, 21 ... computer, 22 ... keyboard , 23 ... joystick box, 24 ... mouse, 25 ... CRT display, 26 ... printer, 34, 38 ... CCD camera, 35 ... laser probe, 36, 39 ... lighting device.

Claims (7)

  1. ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力すると共に合焦位置が三次元測定空間における特定の軸の位置として使用される撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を一定の位置関係を保って配置してなる撮像ユニットと、 The distance between the predetermined measurement point on the imaging means and the workpiece focus position is used as the position of the particular axis in the three-dimensional measuring space together with by imaging the workpiece and outputs a two-dimensional image information for image measuring an imaging unit comprising a non-contact displacement meter detectable as a displacement amount place while maintaining its positional relationship,
    この撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置に駆動する撮像ユニット駆動機構と、 An imaging unit driving mechanism for driving the imaging unit in an arbitrary position of the measuring three-dimensional space,
    前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元座標値として出力する位置検出手段と、 Position detecting means for outputting the position of the measurement three-dimensional space of the imaging unit as a three-dimensional coordinate values,
    前記撮像手段を用いた前記ワークの画像測定においては、前記撮像手段の合焦位置を前記測定三次元空間における特定の軸の位置として取り込み、前記非接触変位計による前記特定の軸と同一方向の変位測定においては、前記非接触変位計が出力する変位量が常にゼロ又は所定の値を維持するように所定の測定軌道に沿って前記ワーク上の測定点を移動させるべく前記撮像ユニット駆動機構を制御して、前記位置検出手段からの三次元座標値を取り込むと共に前記撮像手段と前記非接触変位計との位置関係を用いることによりワークの倣い測定を実行する制御手段と を備えたことを特徴とする非接触三次元測定装置。 In the image measurement of said workpiece using said imaging means, said capture an in-focus position of the imaging means as the position of the particular axis in the measuring three-dimensional space, wherein the specific non-contact displacement meter axis and in the same direction in displacement measurement, the imaging unit driving mechanism to move the measurement point on the along a predetermined measuring track as the amount of displacement the non-contact displacement meter output is maintained at all times zero or a predetermined value the workpiece control to, characterized in that a control means for performing scanning measurement of a workpiece by using a positional relationship between the non-contact displacement meter and the imaging unit fetches three-dimensional coordinate values from said position detecting means non-contact three-dimensional measuring apparatus according to.
  2. ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を出力すると共に合焦位置が三次元測定空間における特定の軸の位置として使用される撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を一定の位置関係を保って配置してなる撮像ユニットと、 The distance between the predetermined measurement point on the imaging means and the workpiece focus position is used as the position of the particular axis in the three-dimensional measuring space together with by imaging the workpiece and outputs a two-dimensional image information for image measuring an imaging unit comprising a non-contact displacement meter detectable as a displacement amount place while maintaining its positional relationship,
    この撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置に駆動する撮像ユニット駆動機構と、 An imaging unit driving mechanism for driving the imaging unit in an arbitrary position of the measuring three-dimensional space,
    前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元座標値として出力する位置検出手段と、 Position detecting means for outputting the position of the measurement three-dimensional space of the imaging unit as a three-dimensional coordinate values,
    前記撮像手段を用いた前記ワークの画像測定においては、前記撮像手段の合焦位置を前記測定三次元空間における特定の軸の位置として取り込み、前記非接触変位計による前記特定の軸と同一方向の変位測定においては、前記非接触変位計が検出する変位方向の軸を固定しつつ所定の測定軌道に沿って前記ワーク上の測定点を移動させるべく前記撮像ユニット駆動機構を制御して、前記非接触変位計が検出した変位量及び前記位置検出手段からの三次元座標値を取り込んで前記位置検出手段からの三次元座標値を前記非接触変位検出手段が検出した変位量で補正すると共に前記撮像手段と前記非接触変位計との位置関係を用いることによりワークの倣い測定を実行する制御手段と を備えたことを特徴とする非接触三次元測定装置。 In the image measurement of said workpiece using said imaging means, said capture an in-focus position of the imaging means as the position of the particular axis in the measuring three-dimensional space, wherein the specific non-contact displacement meter axis and in the same direction in displacement measurement, and it controls the imaging unit driving mechanism to move the measurement point on the workpiece along a predetermined measuring track while fixing the axial displacement direction of the non-contact displacement meter detects the non the imaging is corrected by the displacement amount detected by the non-contact displacement detector three-dimensional coordinate values from the position detection means captures a three-dimensional coordinate values from the displacement amount and the position detecting means in contact displacement meter detects non-contact three-dimensional measuring apparatus characterized by comprising a control means for performing scanning measurement of a workpiece by using a positional relationship between said the unit non-contact displacement meter.
  3. 前記制御手段は、予め指定された測定軌道に沿ってワークの倣い測定を実行するものであることを特徴とする請求項1又は2記載の非接触三次元測定装置。 It said control means, non-contact three-dimensional measuring apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that to perform a scanning measurement of a workpiece along a pre-specified measurement trajectory.
  4. 前記指定される測定軌道は、長方形であることを特徴とする請求項3記載の非接触三次元測定装置。 The measuring track is specified, the non-contact three-dimensional measuring apparatus according to claim 3, wherein the rectangular.
  5. 前記指定される測定軌道は、螺旋形であることを特徴とする請求項3記載の非接触三次元測定装置。 The measuring track is specified, the non-contact three-dimensional measuring apparatus according to claim 3, characterized in that the helical.
  6. 前記非接触変位計は、ワーク上にレーザビームスポットを照射してその反射光を受光することにより変位量を検出するレーザ変位計であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載の非接触三次元測定装置。 The non-contact displacement meter, any one of the preceding claims, characterized in that a laser displacement meter for detecting a displacement amount by receiving the reflected light by irradiating a laser beam spot on the workpiece non-contact three-dimensional measuring apparatus according.
  7. 前記非接触変位計は、ワーク上に光学系を介して光ビームを照射してその合焦位置と測定点とのずれ量がゼロになる前記光学系の移動量を変位量として出力する合焦方式の変位計であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項の非接触三次元測定装置。 The non-contact displacement meter, focusing for outputting the moving amount of the optical system a deviation amount between the measurement point and its focus position by irradiating a light beam through the optical system onto the workpiece becomes zero as a displacement amount non-contact three-dimensional measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a displacement gauge method.
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