JP3715377B2 - Object shape measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の画像から被測定物の形状及び寸法などを測定する物体形状測定装置に関し、複数方向からの測定や複数項目の測定における整合性の改善及び測定時間短縮に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より用いられている光学式測定ヘッドを有した物体形状測定装置には、被測定物の画像を処理して被測定物の表面形状を測定するものがあった。この装置は、照明光を被測定物の表側又は裏側から照射し、その物体の反射光像又は透過光像を測定ヘッドに搭載したCCDカメラで撮影する。このCCDカメラの出力画像を画像処理して物体表面の段差等に起因するパターンやその寸法を測定する。
【0003】
図8は、従来の物体形状測定装置の側面図である。この装置は、支持台2の上にXYステージ4を備えている。これら支持台2、XYステージ4は中央部に開口を有する。装置下部に配置された照明器6からの光は支持台2、XYステージ4の開口を通過し、装置上部に配置された光学式の測定ヘッド8に到達する。一方、測定ヘッド8も照明手段を有している。
【0004】
被測定物10はXYステージ4の開口部上に載置される。照明器6は例えば、被測定物10の厚みが薄い場合やスルーホールの形状を測定する場合に使用され、CCDカメラはそれによる透過画像を撮像する。一方、測定ヘッド8の照明手段を用いた場合には、被測定物10表面の段差により生じる陰影や反射率の違いにより生じるパターンがCCDカメラにより撮像される。XYステージ4は水平面方向に移動させることができ、これにより、被測定物10の広範な領域を測定することができる。被測定物10は例えば、プリント基板や樹脂成型品などである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の測定ヘッドは、XYステージ4の垂直上方に配置され、一方向からの測定のみ、すなわちXYステージ4に載置された被測定物10の上面のみの測定を行っていた。そのため、両面プリント基板など被測定物の上面と底面との両面を測定する場合、被測定物を裏返して表裏を別々に測定しなければならなかった。また、上記装置の光学式測定ヘッドでも段差の高さを測定することはできるが、より精度良く高さ測定を行うためには、レーザ変位計など他方式の測定ヘッドを備えた形状測定装置を用いて別途測定を行わなければならなかった。このように、従来の物体形状測定装置では、複数の面や複数の測定項目を別々に測定するため、測定に要する時間が長くなるという問題や、別々の測定による各測定データの対応関係を精度良く定めることができないという問題があった。例えば、同一の装置を用いて表側と裏側との測定を行う場合であっても、被測定物10を裏返すとそのXYステージ4上での位置がずれ、表側表面形状と裏側表面形状との間の相対的位置関係が正確には把握されないといった問題があった。
【0006】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、複数方向からの測定や複数項目の測定における測定データ間の整合性が向上し、また測定時間が短縮される物体形状測定装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る物体形状測定装置においては、光学式測定ヘッドが複数設けられ、被測定物の形状を複数の測定方向から同時に測定し、前記複数の光学式測定ヘッドは、前記測定方向が互いに逆向きの第1、第2の光学式測定ヘッドを含み、さらに、前記第1と第2の各光学式測定ヘッドをそれらの前記測定方向に垂直な面方向に、互いに独立に移動させるヘッド移動手段と、前記垂直な面方向での前記第1の光学式測定ヘッドと前記第2の光学式測定ヘッドとの相対位置を検出するヘッド相対位置検知手段を有することを特徴とする。
【0008】
本発明によれば、被測定物の複数の測定方向、例えば表側と裏側から見た形状が短時間に測定される。また、その際、被測定物を例えば裏返すといった被測定面を光学式測定ヘッドに向けて配置し直す動作が不要となるので、装置に対する被測定物の位置合わせによるずれが各測定方向間で変動せず、各測定方向の測定データの相対的位置関係が精度良く定まる、すなわち、測定データ間の整合性が向上する。また、ヘッド相対位置検知手段によって検出され、検出された相対位置に基づいて正反両面の測定データ間の前記面方向の位置の補正を行うことができ、測定データ間の前記整合性が向上する。
【0009】
本発明の好適な態様においては、さらに、前記第1と第2の各光学式測定ヘッドをそれらの前記測定方向に垂直な面方向に互いに独立に移動させるヘッド移動手段と、前記第1と第2の各光学式測定ヘッドを互いに独立に移動させて前記被測定物の両側を走査し測定するモードと前記第1と第2の両光学式測定ヘッドをそれらの前記垂直な面方向における測定位置を一致させながら移動させて前記被測定物の両側を走査し測定するモードとのいずれかのモードに応じて前記ヘッド移動手段を制御する移動制御手段と、を有することを特徴とする。
【0010】
本装置によれば、被測定物は例えばホルダーに固定されて移動せず、その被測定物の正反両面を測定するように配置された第1、第2の光学式測定ヘッドがそれぞれ移動できる。よって、これら両測定ヘッドを制御して、正反両面間での連携をとらずに測定する動作モードと、正反両面間で前記面方向における測定位置を一致させながら、すなわち連携をとりながら測定する動作モードとが提供される。これらの動作モードのうち前者によれば、正反両面で測定対象領域の前記面方向の位置が異なる場合における測定を並列に実行することができ、測定時間が短縮される。また後者によれば、両面の測定データ間に前記整合性を有した測定が行われる。
【0011】
本発明の好適な態様は、前記第1と第2の光学式測定ヘッドが、それぞれフォーカスする光を照射する照明器と前記光が前記被測定物の表面にフォーカスしたことを検出するセンサとを含む態様において、前記ヘッド相対位置検出手段は、前記第1の前記光学式測定ヘッドの前記照射器に設けられた、目合わせパターンを投影する手段と、前記第2の前記光学式測定ヘッドの前記センサにて前記目合わせパターンの光学像を検知する手段とを備え、前記光学像の位置から前記第1の光学式測定ヘッドと前記第2の光学式測定ヘッドとの相対位置を求め出力することを特徴とする。
【0015】
本発明の好適な態様によれば、前記第1の光学式測定ヘッドが被測定物を落射照明する照射器を含み、この照射器が前記第2の光学式測定ヘッドによる測定において透過照明として用いられることを特徴とする。本装置によれば、測定に利用できる照明の種類が増える。複数種類の照明、例えば、落射照明、透過照明、斜方照明を備えることにより、例えば形状の境界が明瞭な画像を形成する照明を選択して、形状測定の精度を向上させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
【0019】
[実施形態1]
図1は、両面プリント基板の形状測定に用いる本発明を実施した物体形状測定装置の機械本体部の側面図である。この装置は、被測定物を測定し画像等の測定データを出力する図1に示した機械本体部の他、例えば小型コンピュータ等で構成され画像処理などの測定データの処理や測定条件の指示などを行うデータ処理部(図示せず)と機械本体部の動作を制御する回路であるコントローラ部(図示せず)とを含んで構成される。
【0020】
機械本体部は、支持台52の上にXYステージ54を備えている。これら支持台52、XYステージ54は中央部に開口56を有する。このXYステージ54の開口56上に被測定物である両面プリント基板58が載置される。
【0021】
本装置は、上部測定ヘッド60と下部測定ヘッド62との2つの光学式測定ヘッドを有している。上部測定ヘッド60は支柱64からのアーム66によって上下可能に、装置上部に配置され、一方、下部測定ヘッド62は装置下部に上下可能に配置される。上部測定ヘッド60の測定方向は垂直下向きであり、測定口60Aから両面プリント基板58の表側面に形成された配線パターン等の形状を撮像する。下部測定ヘッド62の測定方向は上部測定ヘッド60の測定方向とは逆向きの垂直上向きである。下部測定ヘッド62は支持台52、XYステージ54の開口56を介し測定口62Aから両面プリント基板58の裏側面の配線パターン等を撮像する。
【0022】
両測定ヘッド60、62は正対するように配置され、両測定ヘッドのそれぞれの測定位置の水平座標は一致している。すなわち、下部測定ヘッド62は、上部測定ヘッド60が測定している位置の丁度裏側を同時に測定する。現実には両測定ヘッドの各測定位置の水平座標間には微妙な差異が存在することも考えられるが、そのような差異は、表裏それぞれの同一の水平位置に目合わせパターンを有するような基準測定物を測定することによって把握される。この把握された差異は、測定ヘッドから出力された画像を処理する段階で補正される。よって、本装置では、2つの測定ヘッドにより両面プリント基板の表側面と裏側面との形状が同時に測定され、しかもそれらの水平座標が整合しているので、両面の形状の相互関係を正確に測定することができる。
【0023】
両測定ヘッド60、62はそれぞれ、例えばCCDカメラなどの撮像手段と被測定物を照らす照明手段とを含んだ測定光学系を備えている。照明手段として例えば、測定口60A、62Aの外周に配置され斜方照明を行えるリング照明光源や、CCDカメラのレンズ系から射出される垂直落射照明光源が設けられる。これら光源には、例えばハロゲンランプなどが用いられる。両測定ヘッドは水平方向に関しては固定されているが、垂直方向には可動に構成されてこれにより被測定物表面へのフォーカスを行うことができる。
【0024】
次に本装置の動作を説明する。各測定ヘッド60、62の照明手段が両面プリント基板58の表面を照明し、その反射光像を各CCDカメラにて撮像する。基板の撮像目標位置は、データ処理部からコントローラ部に指示される。コントローラ部はXYステージ54の駆動系を制御して、XYステージ54を水平方向(すなわちX方向、又はY方向)に移動させ、両面プリント基板58の所望の箇所をCCDカメラの撮像範囲に持っていく。なお、本装置はコントローラ部にジョイスティックボックスを接続可能であり、データ処理部に代えて、測定者のジョイスティック操作によりXYステージ54を動かすこともできる。
【0025】
CCDカメラは、基板表面の段差により生じる陰影や材質に応じた反射率の違いにより生じるパターンを含んだ画像を出力する。データ処理部は、まずこの画像における明暗のコントラストからCCDカメラのフォーカスが基板表面に合っているかどうかを検出し、合っていない場合には測定光学系を垂直に変動させて基板表面にフォーカスさせる。次にデータ処理部はフォーカスした画像を処理して段差のエッジなどの形状を抽出する。形状の寸法は、撮像倍率に基づいて求められる。また、測定光学系の垂直方向の変動量から段差の高さを、例えばミクロンオーダーで測定することができる。
【0026】
また、本装置では、一方の測定ヘッドの照明手段を他方の測定ヘッドに対する透過照明光源として用いることができる。透過照明で測定すれば、例えば、プリント基板のスルーホールの透過光像は反射光像よりコントラストが良好であるので、より精度の良いスルーホール形状、位置等の測定が可能となる。
【0027】
上述したように、本装置では、両面プリント基板の両面の形状を同時に測定することができる。本装置では、被測定物を裏返すという動作が不要であることを考慮すると、片面ずつ測定する従来装置に比べて測定時間が半分以下となる。また、被測定物を裏返すと、その前後での被測定物のXYステージ54内での位置のずれが、本装置自体の精度に比べて非常に大きくなる、つまり水平方向の位置関係がミクロンオーダーにおいては不明となるのに対し、本装置では被測定物を裏返すことなく両面を同時に測定するので、これら測定された両面の形状の水平方向での相対的位置関係が明確であり、表側と裏側とで整合した表面形状測定が実現される。
【0028】
なお、本装置では、上部、下部の測定ヘッドを共に光学式測定ヘッドとしたが、例えば一方を、レーザ変位計など他方式の測定ヘッドとしてもよい。
【0029】
[実施形態2]
図2は、本発明を実施した物体形状測定装置の機械本体部の側面図である。図において実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。この装置は、実施形態1と同様、機械本体部の他、データ処理部(図示せず)とコントローラ部(図示せず)とを含んで構成される。本装置が実施形態1の装置と異なる点は、側面測定ヘッド70を備えている点である。側面測定ヘッド70は測定口70Aから水平の測定方向を撮像する。この側面測定ヘッド70を備えたことにより、被測定物72の上面、底面に加えて一方向から見た側面も同時に測定でき、多方向の測定が迅速に行われる。なお、測定ヘッドをさらに設けて、より多方向の測定を同時に行う装置も可能である。
【0030】
[実施形態3]
図3は、本発明を実施した物体形状測定装置の機械本体部の側面図である。この装置は、実施形態1と同様、機械本体部の他、データ処理部(図示せず)とコントローラ部(図示せず)とを含んで構成される。
【0031】
機械本体部は下部筺体90上に設置された支持台92を有し、この支持台92は中央に開口94を有し、この開口94上に被測定物96が載置される。本装置は、上部測定ヘッド98と下部測定ヘッド100との2つの光学式測定ヘッドを有している。これら各光学式測定ヘッドはその内部構成を実施形態1の両測定ヘッド60、62と同じくするが、それぞれ水平面方向に互いに独立に移動可能に配置されている点で上記実施形態と異なる。図4は、上部測定ヘッド98の移動手段の一例を示す模式的な斜視図である。2つの支柱102は下部筺体90の両端に設けられたボールねじ104を介して摺動可能に取り付けられ、ボールねじ104をモータによって回転させることによってX軸方向に移動させられる。両支柱102の間にはY軸方向のボールねじ106が渡される。上部測定ヘッド98はボールねじ106を介して図示しない摺動面に対して摺動可能に取り付けられ、モータによってボールねじ106を回転させることによって、Y軸方向に移動させられる。このような移動手段により上部測定ヘッド98は水平面方向に自在に移動可能である。一方、下部測定ヘッド100は下部筺体90に設けられたXYステージ110上に配置され、これによりX方向、Y方向に自在に移動可能である。なお、移動手段は他の機構を用いたものであってもよい。
【0032】
上部測定ヘッド98、下部測定ヘッド100は上記実施形態同様、それぞれ垂直下向き、垂直上向きの測定方向を有するが、両測定ヘッド98、100は互いに独立に移動可能であるので、必ずしもそれぞれの測定口98A、100Aは正対するとは限らない。なお、下部測定ヘッド100は開口94を介して被測定物96を測定する。両測定ヘッドの移動手段を制御するため、コントロール部とデータ処理部とが移動制御手段を提供する。各測定ヘッドの移動目標位置情報はデータ処理部からコントロール部に渡され、コントロール部が各測定ヘッドの移動手段を制御する。
【0033】
移動制御手段は動作モードとして、両測定ヘッドを互いに独立に移動させる非連動モードと、両測定ヘッドの測定位置の水平面内での位置を一致させながら移動させる連動モードとを有する。連動モードによれば、上記実施形態の装置と同様、被測定物の表側と裏側とで水平面方向の整合性を保ちつつ測定が行われる。一方、非連動モードを用いれば、測定を行いたい領域の水平面方向の位置が被測定物の表側と裏側とで異なっている場合に、それらを並列に測定することができ、上記実施形態のような装置、又は上記連動モードを用いる場合に比べて測定時間が短縮される。
【0034】
本装置では、両測定ヘッド98、100が独立に移動可能な構成であるので、両測定ヘッドの水平面方向の相対位置関係が、例えば上下ヘッドの組付誤差などによって変動する可能性がある。すなわち、移動制御手段上では上部測定ヘッド98と下部測定ヘッド100とが水平面内での同一の座標に移動されても、実際にはそれらの水平面内での位置はずれている可能性がある。その量はわずかなものであるが、本装置のように被測定物の両面の形状の相関関係を精度良く測定することを目的とする場合には、性能劣化の原因となる。そこで、本装置では、測定ヘッドの相対位置を検知するヘッド相対位置検出手段を設け、検出された相対位置に基づいて移動制御手段の制御誤差を補正する。
【0035】
図5は、ヘッド相対位置検知手段の一例の原理を示す模式図である。各測定ヘッド98、100はそれぞれ、撮像手段としてCCDカメラ130、垂直落射照明光源としてハロゲンランプ132とを備えている。垂直落射照明の光軸と撮像される反射光の光軸とは各測定ヘッドの外では同一線上にあるが、これら2つの光軸は測定ヘッド内でハーフミラー134を用いて分離される。すなわち、ハロゲンランプ132から放射された光線の一部がハーフミラー134で直角方向に曲げられ、被測定物に鉛直に向かう。この光線と同一線上であってハーフミラー134の背後にCCDカメラ130は配置され、被測定物からの反射光のうちハーフミラー134で反射されずに直進する成分を受光する。
【0036】
ヘッド相対位置検出手段を構成するため、上記測定ヘッドの構成において、一方の測定ヘッド(本装置では下部測定ヘッド100)に透過形液晶パネルで構成された目合わせパターン用のマスク140が配置されている。マスク140は下部測定ヘッド100のハロゲンランプ132とハーフミラー134との間に配置され、測定ヘッドの相対位置を測定する場合に、電圧信号を印加されて図6に示すような目合わせパターンを生成する。この目合わせパターンは平面を直交する2つの直線で4つの領域に分割したものである。これら2つの直線、ひいては目合わせパターンの中心となるこれら2直線の交点を画像処理で容易に処理できるように、4つの領域の明暗は交互に定義されている。目合わせパターンは画像処理により中心が容易に見出せるものであれば他のパターンでもよい。
【0037】
ハロゲンランプ132からの照明光はレンズ142によってマスク140の位置にフォーカスされ、レンズ144、146は測定ヘッド100の測定方向線上に、マスク140の透過光による光像148を形成する。下部測定ヘッド100のCCDカメラ130に対する目合わせパターンの位置は、物体に投影された光像148を撮像することによりあらかじめ決定されている。
【0038】
上下の測定ヘッドの水平面内での相対位置の測定は、上下の測定ヘッド間を光が透過しうる状態で、両測定ヘッドの測定口が移動制御手段によって正対させられて行われる。すなわち、両測定ヘッドの水平面内の座標は移動制御手段上は同一である。この状態で、上部測定ヘッド98は上下に移動し、その撮像フォーカス位置を上下に移動させてマスク140の光像148を検出する。データ処理部では、上部測定ヘッド98のCCDカメラ130から出力された画像における目合わせパターンの中心位置を求め、これと予め求められている下部測定ヘッド100での中心位置との差異を両測定ヘッドの相対位置として求める相対位置演算処理を行う。
【0039】
各測定ヘッドにて得られた被測定物の表側、裏側それぞれの形状の測定データの水平座標を、上記相対位置を用いて補正することにより、両側の形状の水平面方向の整合性を得ることができる。両測定ヘッドの相対位置の測定は、例えば、上記連動モードによる測定の開始時や終了時に支持台92の開口94に被測定物96を載置しない状態にて行ったり、支持台92に被測定物96載置用の開口94とは別に相対位置測定用の開口を設け、これを用いて形状測定の途中にて適宜行うことができるようにしてもよい。上述したヘッド相対位置検出手段によれば、測定者に支持台92上に目合わせ用の基準測定物を置いたりする手間を煩わせる必要がないので、相対位置の測定を自動化することができる。
【0040】
[実施形態4]
図7は、本発明を実施した物体形状測定装置の機械本体部の側面図である。この装置は、上記実施形態と同様、機械本体部の他、データ処理部(図示せず)とコントローラ部(図示せず)とを含んで構成される。
【0041】
機械本体部は、支持台152の上にXYステージ154を備えている。これら支持台152、XYステージ154は中央部に開口156を有する。このXYステージ154の開口156上に被測定物158が載置される。
【0042】
本装置は、上部測定ヘッドを2つ有する。第1の上部測定ヘッドは光学式測定ヘッド160である。また第2の上部測定ヘッドはレーザ変位計162である。装置下部には、光学式測定ヘッド160による測定に用いる透過照明光源164が配置される。光学式測定ヘッド160は支柱166からのアーム168によって、透過照明光源164に正対して装置上部に配置され、一方、レーザ変位計162はアーム168によって、光学式測定ヘッド160と透過照明光源164との光軸170の脇に支持される。
【0043】
レーザ変位計162は測定口162Aから水平方向に射出したレーザを、光軸170上に配置されたハーフミラー172にて垂直下方に反射する。そして被測定物158で反射されたレーザ光はハーフミラー172にて反射されてレーザ変位計162に入射する。例えばレーザ光を垂直方向からわずかに傾けて被測定物158に入射させると、レーザ変位計162における被測定物158からのレーザ光の反射像の位置と射出位置とのずれはレーザ光の光路長に比例する。このずれをCCDラインセンサ上での受光位置から検知して被測定物158上の反射点の垂直位置を測定することができる。その他、射出されたレーザ光と反射により測定口162Aに戻ったレーザ光との位相差の変化を検出して、被測定物158の反射点の垂直方向変位を検知するようなレーザ変位計も考えられる。レーザ変位計162は高さ測定を光学式測定ヘッド160より精度良く行うことができる。
【0044】
光学式測定ヘッド160は、ハーフミラー172を直進する光を用いて、測定口160Aから被測定物の表面画像を撮像して、出力する。そしてデータ処理部がその画像を処理して表面形状を測定する。つまり、光学式測定ヘッド160とレーザ変位計162とは配置位置は異なるが、同一の光軸172から被測定物158の表面を測定する。
【0045】
本装置では、同一の測定方向から複数種類の測定ヘッドを用いて被測定物の複数の表面情報を同時採取する。つまり、本装置では、光学式測定ヘッド160が画像により水平面方向の形状を精度良く測定し、一方、レーザ変位計162は光学式測定ヘッド160のフォーカスによる高さ測定を補助し、精度の良い高さ測定を実現し、これら両測定ヘッドにより被測定物の表面形状を水平、垂直いずれにも精度良く測定することができる。
【0046】
このように本装置は、平面寸法、高さ寸法、形状といった複数の測定項目を複数種類の測定ヘッドで同時に測定することにより、測定時間が短縮されるとともに、各測定項目のデータ間の水平面方向の位置の整合性が確保される。なお光学式測定ヘッドに併用される他方式の測定ヘッドは、レーザ変位計以外のもの、例えばタッチプローブなどであってもよい。
【0047】
【発明の効果】
本発明の物体形状測定装置によれば、複数の光学式測定ヘッドを備えて複数方向から同時に測定することにより、複数方向から見た表面形状の測定が短時間に行われ、またそれら複数方向に係る測定データ間の座標の整合性が向上するという効果が得られる。また、本発明の物体形状測定装置によれば、異なる方式の複数測定ヘッドを備えて同一方向から同時に測定することにより、複数項目の表面情報の測定が短時間に行われ、またそれら複数項目の測定データ間の座標の整合性が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係る物体形状測定装置の機械本体部の側面図。
【図2】 本発明の第2の実施形態に係る物体形状測定装置の機械本体部の側面図。
【図3】 本発明の第3の実施形態に係る物体形状測定装置の機械本体部の側面図。
【図4】 第3の実施形態における上部測定ヘッドの移動手段の一例を示す模式的な斜視図。
【図5】 ヘッド相対位置検知手段の一例の原理を示す模式図。
【図6】 目合わせパターンの一例を示す模式図。
【図7】 本発明の第4の実施形態に係る物体形状測定装置の機械本体部の側面図。
【図8】 従来の物体形状測定装置の側面図。
【符号の説明】
52,152 支持台、54,154,110 XYステージ、60,98 上部測定ヘッド、62,100 下部測定ヘッド、70 側面測定ヘッド、72,96,158 被測定物、90 下部筺体、92 支持台、104,106 ボールねじ、130 CCDカメラ、132 ハロゲンランプ、134,172ハーフミラー、140 目合わせパターン用マスク、160 光学式測定ヘッド、162 レーザ変位計、164 透過照明光源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an object shape measuring apparatus for measuring the shape and dimensions of an object to be measured from an image of the object to be measured, and relates to improvement in consistency and measurement time reduction in measurement from a plurality of directions and measurement of a plurality of items.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Some object shape measuring apparatuses having an optical measuring head that have been used conventionally measure the surface shape of an object to be measured by processing an image of the object to be measured. This apparatus irradiates illumination light from the front side or the back side of an object to be measured, and takes a reflected light image or transmitted light image of the object with a CCD camera mounted on a measurement head. The output image of the CCD camera is subjected to image processing to measure a pattern and its size caused by a step on the object surface.
[0003]
FIG. 8 is a side view of a conventional object shape measuring apparatus. This apparatus includes an XY stage 4 on a support base 2. These support base 2 and XY stage 4 have an opening in the center. Light from the illuminator 6 disposed at the lower part of the apparatus passes through the openings of the support base 2 and the XY stage 4 and reaches an optical measurement head 8 disposed at the upper part of the apparatus. On the other hand, the measuring head 8 also has illumination means.
[0004]
The
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional measuring head is arranged vertically above the XY stage 4 and performs measurement only from one direction, that is, only the upper surface of the object to be measured 10 placed on the XY stage 4. Therefore, when measuring both the upper surface and the bottom surface of an object to be measured such as a double-sided printed circuit board, the object to be measured must be turned over and the front and back must be measured separately. In addition, the optical measurement head of the above apparatus can measure the height of the step, but in order to measure the height with higher accuracy, a shape measuring apparatus equipped with another type of measurement head such as a laser displacement meter is used. And had to be measured separately. In this way, the conventional object shape measuring device measures multiple surfaces and multiple measurement items separately, which increases the time required for measurement and the correspondence between each measurement data by separate measurements. There was a problem that it could not be well defined. For example, even when the front side and the back side are measured using the same apparatus, if the object to be measured 10 is turned upside down, the position on the XY stage 4 shifts, and the front side surface shape and the back side surface shape are between. There is a problem that the relative positional relationship between the two is not accurately grasped.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides an object shape measuring apparatus that improves the consistency between measurement data in measurements from a plurality of directions and measurements of a plurality of items, and shortens the measurement time. The purpose is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the object shape measuring apparatus according to the present invention, a plurality of optical measuring heads are provided, and the shape of the object to be measured is measured simultaneously from a plurality of measuring directions. The measuring directions of the plurality of optical measuring heads are opposite to each other. Including first and second optical measuring heads oriented;Head moving means for independently moving the first and second optical measuring heads in a plane direction perpendicular to the measuring direction;It has a head relative position detecting means for detecting a relative position between the first optical measuring head and the second optical measuring head in the vertical plane direction..
[0008]
According to the present invention, a plurality of measurement directions of an object to be measured, for example, shapes viewed from the front side and the back side are measured in a short time. In this case, it is not necessary to reposition the surface to be measured, for example, turning the object to be measured toward the optical measurement head, so that the displacement due to the alignment of the object to be measured with respect to the apparatus varies between measurement directions. The relative positional relationship of the measurement data in each measurement direction is determined with high accuracy, that is, the consistency between the measurement data is improved.Further, the position in the surface direction between the measurement data on both the front and back surfaces can be corrected based on the detected relative position, and the consistency between the measurement data is improved. .
[0009]
In a preferred aspect of the present invention, further, head moving means for moving the first and second optical measuring heads independently of each other in a plane direction perpendicular to the measuring direction, the first and first optical measuring heads. A mode in which each of the two optical measuring heads is moved independently of each other to scan and measure both sides of the object to be measured, and both the first and second optical measuring heads are measured in the vertical plane direction. And a movement control means for controlling the head movement means in accordance with one of a mode for scanning and measuring both sides of the object to be measured.
[0010]
According to this apparatus, for example, the object to be measured is fixed to a holder and does not move, and the first and second optical measuring heads arranged to measure both the front and back surfaces of the object to be measured can move. . Therefore, by controlling both of these measuring heads, measurement is performed while matching the measurement mode in the surface direction between the front and back surfaces and the operation mode in which measurement is performed without taking cooperation between the front and back surfaces, that is, with cooperation. Operating modes are provided. According to the former among these operation modes, measurement can be performed in parallel when the position in the surface direction of the measurement target region is different between the front and back surfaces, and the measurement time is shortened. According to the latter, the measurement having the consistency between the measurement data on both sides is performed.
[0011]
A preferred embodiment of the present invention is,PreviousIn the aspect in which the first and second optical measuring heads each include an illuminator that emits focused light and a sensor that detects that the light is focused on the surface of the object to be measured, the relative position of the heads The detecting means includes a means for projecting an alignment pattern provided in the irradiator of the first optical measurement head, and a sensor of the second optical measurement head. Means for detecting an optical image, and determining and outputting a relative position between the first optical measurement head and the second optical measurement head from the position of the optical image.
[0015]
According to a preferred aspect of the present invention, the first optical measurement head includes an illuminator that illuminates the object to be measured, and the illuminator is used as transmitted illumination in the measurement by the second optical measurement head. It is characterized by being able to. According to this apparatus, the kind of illumination which can be utilized for a measurement increases. By providing multiple types of illumination, for example, epi-illumination, transmitted illumination, and oblique illumination, for example, illumination that forms an image with a clear shape boundary can be selected to improve the accuracy of shape measurement.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a side view of a machine main body of an object shape measuring apparatus embodying the present invention used for measuring the shape of a double-sided printed circuit board. This apparatus measures the object to be measured and outputs measurement data such as an image, etc. In addition to the machine main unit shown in FIG. 1, the apparatus is composed of, for example, a small computer or the like, processes measurement data such as image processing, and indicates measurement conditions. A data processing unit (not shown) that performs the above and a controller unit (not shown) that is a circuit that controls the operation of the machine main body.
[0020]
The machine body includes an
[0021]
The apparatus has two optical measurement heads, an
[0022]
Both measurement heads 60 and 62 are arranged to face each other, and the horizontal coordinates of the measurement positions of both measurement heads coincide with each other. That is, the
[0023]
Each of the measurement heads 60 and 62 includes a measurement optical system including an imaging unit such as a CCD camera and an illumination unit that illuminates the object to be measured. As the illumination means, for example, a ring illumination light source arranged on the outer periphery of the
[0024]
Next, the operation of this apparatus will be described. The illumination means of each measuring
[0025]
The CCD camera outputs an image including a shadow generated due to a step on the substrate surface and a pattern generated due to a difference in reflectance according to the material. First, the data processing unit detects whether or not the CCD camera is focused on the substrate surface from the contrast of light and dark in this image. If not, the data processing unit moves the measurement optical system vertically to focus on the substrate surface. Next, the data processing unit processes the focused image and extracts a shape such as a step edge. The size of the shape is obtained based on the imaging magnification. Further, the height of the step can be measured, for example, on the micron order from the amount of fluctuation in the vertical direction of the measurement optical system.
[0026]
Moreover, in this apparatus, the illumination means of one measurement head can be used as a transmission illumination light source for the other measurement head. If the measurement is made with transmitted illumination, for example, the transmitted light image of the through hole of the printed circuit board has a better contrast than the reflected light image, so that it is possible to measure the through hole shape and position with higher accuracy.
[0027]
As described above, this apparatus can simultaneously measure the shapes of both sides of a double-sided printed circuit board. In consideration of the fact that this device does not require the operation of turning over the object to be measured, the measurement time is less than half that of the conventional device for measuring one side at a time. Further, when the object to be measured is turned over, the positional deviation of the object to be measured in the
[0028]
In this apparatus, the upper and lower measurement heads are both optical measurement heads. However, for example, one of them may be another measurement head such as a laser displacement meter.
[0029]
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a side view of the machine body of the object shape measuring apparatus embodying the present invention. In the figure, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. Similar to the first embodiment, this apparatus includes a data processing unit (not shown) and a controller unit (not shown) in addition to the machine main unit. This apparatus is different from the apparatus according to the first embodiment in that a
[0030]
[Embodiment 3]
FIG. 3 is a side view of the machine body of the object shape measuring apparatus embodying the present invention. Similar to the first embodiment, this apparatus includes a data processing unit (not shown) and a controller unit (not shown) in addition to the machine main unit.
[0031]
The machine main body has a
[0032]
The
[0033]
The movement control means has, as operation modes, a non-interlocking mode in which both measuring heads are moved independently from each other, and an interlocking mode in which the measuring positions of both measuring heads are moved while matching the positions in the horizontal plane. According to the interlocking mode, measurement is performed while maintaining consistency in the horizontal plane direction on the front side and the back side of the object to be measured, as in the apparatus of the above embodiment. On the other hand, when the non-interlocking mode is used, when the position in the horizontal plane direction of the region to be measured is different between the front side and the back side of the object to be measured, they can be measured in parallel, as in the above embodiment. The measurement time is shortened compared with the case of using a simple apparatus or the above-mentioned interlocking mode.
[0034]
In this apparatus, since both the measurement heads 98 and 100 can move independently, there is a possibility that the relative positional relationship between the two measurement heads in the horizontal plane direction fluctuates due to, for example, an assembly error between the upper and lower heads. That is, even if the
[0035]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the principle of an example of the head relative position detecting means. Each of the measuring heads 98 and 100 includes a
[0036]
In order to constitute the head relative position detection means, in the above-described measurement head configuration, a
[0037]
The illumination light from the
[0038]
The measurement of the relative positions of the upper and lower measurement heads in the horizontal plane is performed in a state where light can pass between the upper and lower measurement heads, with the measurement ports of both measurement heads facing each other by the movement control means. That is, the coordinates in the horizontal plane of both measuring heads are the same on the movement control means. In this state, the upper measuring
[0039]
By correcting the horizontal coordinates of the measurement data of the shape of the front side and the back side of the object to be measured obtained by each measuring head using the relative position, it is possible to obtain the consistency of the shape of both sides in the horizontal plane direction. it can. The measurement of the relative positions of the two measuring heads is performed, for example, in a state where the
[0040]
[Embodiment 4]
FIG. 7 is a side view of the machine main body of the object shape measuring apparatus embodying the present invention. Similar to the above-described embodiment, the apparatus includes a data processing unit (not shown) and a controller unit (not shown) in addition to the machine main body.
[0041]
The machine main body includes an
[0042]
The apparatus has two upper measuring heads. The first upper measuring head is an
[0043]
The
[0044]
The
[0045]
In the present apparatus, a plurality of pieces of surface information of an object to be measured are collected simultaneously from the same measurement direction using a plurality of types of measurement heads. In other words, in this apparatus, the
[0046]
As described above, the present apparatus can simultaneously measure a plurality of measurement items such as plane dimensions, height dimensions, and shapes with a plurality of types of measurement heads, thereby reducing the measurement time and the horizontal plane direction between the data of each measurement item. The position consistency is ensured. Note that the other type of measurement head used in combination with the optical measurement head may be other than a laser displacement meter, such as a touch probe.
[0047]
【The invention's effect】
According to the object shape measuring apparatus of the present invention, by providing a plurality of optical measurement heads and simultaneously measuring from a plurality of directions, the surface shape viewed from a plurality of directions can be measured in a short time, and in the plurality of directions. The effect of improving the consistency of coordinates between such measurement data is obtained. Further, according to the object shape measuring apparatus of the present invention, by measuring simultaneously from the same direction with a plurality of measurement heads of different methods, measurement of surface information of a plurality of items is performed in a short time, and the plurality of items of the plurality of items are measured. The effect of improving the consistency of coordinates between measurement data is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a machine body of an object shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of a machine main body portion of an object shape measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a side view of a machine main body of an object shape measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of a moving means of an upper measuring head in a third embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the principle of an example of a head relative position detection unit.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of an alignment pattern.
FIG. 7 is a side view of a machine main body portion of an object shape measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a side view of a conventional object shape measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
52,152 Support base, 54,154,110 XY stage, 60,98 Upper measurement head, 62,100 Lower measurement head, 70 Side measurement head, 72, 96,158 Object to be measured, 90 Lower housing, 92 Support base, 104, 106 Ball screw, 130 CCD camera, 132 Halogen lamp, 134, 172 half mirror, 140 Mask for alignment pattern, 160 Optical measuring head, 162 Laser displacement meter, 164 Transmitted illumination light source.
Claims (4)
前記光学式測定ヘッドが複数設けられ、前記被測定物の形状を複数の前記測定方向から同時に測定し、
前記複数の光学式測定ヘッドは、前記測定方向が互いに逆向きの第1、第2の光学式測定ヘッドを含み、さらに、
前記第1と第2の各光学式測定ヘッドをそれらの前記測定方向に垂直な面方向に、互いに独立に移動させるヘッド移動手段と、
前記垂直な面方向での前記第1の光学式測定ヘッドと前記第2の光学式測定ヘッドとの相対位置を検出するヘッド相対位置検知手段を有することを特徴とする物体形状測定装置。In the object shape measuring apparatus for measuring the surface shape of the measurement object viewed from an arbitrary measurement direction by performing image processing on image information output from the optical measurement head for imaging the measurement object,
A plurality of optical measuring heads are provided, and the shape of the object to be measured is simultaneously measured from a plurality of the measuring directions;
The plurality of optical measurement heads include first and second optical measurement heads whose measurement directions are opposite to each other, and
Head moving means for independently moving the first and second optical measuring heads in a plane direction perpendicular to the measuring direction;
An object shape measuring apparatus comprising head relative position detecting means for detecting a relative position between the first optical measuring head and the second optical measuring head in the vertical plane direction.
前記第1と第2の各光学式測定ヘッドを互いに独立に移動させて前記被測定物の両側を走査し測定するモードと、前記第1と第2の両光学式測定ヘッドをそれらの前記垂直な面方向における測定位置を一致させながら移動させて前記被測定物の両側を走査し測定するモードとのいずれかのモードに応じて前記ヘッド移動手段を制御する移動制御手段と、を有することを特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。Head moving means for independently moving the first and second optical measuring heads in a plane direction perpendicular to the measuring direction;
A mode in which the first and second optical measuring heads are moved independently of each other to scan and measure both sides of the object to be measured; and both the first and second optical measuring heads are in the vertical direction. And a movement control means for controlling the head moving means in accordance with any one mode of scanning and measuring both sides of the object to be measured while matching the measurement positions in the plane direction. The object shape measuring apparatus according to claim 1, wherein:
前記ヘッド相対位置検出手段は、
前記第1の前記光学式測定ヘッドの前記照射器に設けられた、目合わせパターンを投影する手段と、前記第2の前記光学式測定ヘッドの前記センサにて前記目合わせパターンの光学像を検知する手段とを備え、前記光学像の位置から前記第1の光学式測定ヘッドと前記第2の光学式測定ヘッドとの相対位置を求め出力すること、
を特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。The first and second optical measurement heads each include an illuminator that emits focused light and a sensor that detects that the light is focused on the surface of the object to be measured;
The head relative position detection means includes
An optical image of the alignment pattern is detected by means for projecting an alignment pattern provided in the irradiator of the first optical measurement head and the sensor of the second optical measurement head. And calculating and outputting a relative position between the first optical measurement head and the second optical measurement head from the position of the optical image,
The object shape measuring apparatus according to claim 1 .
この照射器が前記第2の光学式測定ヘッドによる測定において透過照明として用いられること、
を特徴とする請求項1記載の物体形状測定装置。The first optical measurement head includes an illuminator that illuminates the object to be measured;
The irradiator is used as transmitted illumination in the measurement by the second optical measuring head;
The object shape measuring apparatus according to claim 1 .
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