JP3942252B2

JP3942252B2 - ３次元測定装置

Info

Publication number: JP3942252B2
Application number: JP35030197A
Authority: JP
Inventors: 光正岡林; 純夫後藤; 勝斉藤
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: US6181424B1; JPH11183149A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元測定装置、特に、電子部品実装システムのクリーム半田印刷機等に使用される３次元測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品が搭載される基板には、電子部品と配線を導通させるためにクリーム半田が印刷されている。この印刷されたクリーム半田の形状を測定するために、光切断法を用いた３次元測定が行なわれている。光切断法は、細いスリット状の光束で対象物（クリーム半田）表面を切断するように照射し、表面に生じる切断線の形状から被測定物の表面形状あるいは表面凹凸を測定するもので、その一例が図８に示されている。
【０００３】
図８において、レーザダイオード２１から発光されたレーザ光は、フォーカシング非球面レンズ２２により集光され、被測定物２８に照射する付近で直径０．２ｍｍの大きさのビームスポットになるように絞られる。フォーカシング非球面レンズ２２を通過したレーザ光は、光路の途中に配置された振動ミラー２３で反射され、ハーフミラー２４を通過して被測定物２８に投光される。振動ミラー２３は、不図示の駆動装置により図示したように矢印の方向に振動することによって、ビームスポットは被測定物２８の表面をあたかも一本の線が引かれているように走査し、これにより光切断法で必要なスリット状の光束が被測定物に引かれる。
【０００４】
振動ミラ−２３と測定対象物２８の間に配置されたハーフミラー２４で反射した走査光は、光走査方向位置検出用のＰＳＤ（ポジション・センシング・デバイス）２５に導かれ、光振動ミラー２３の回転角を知ることができ、走査（Ｘ軸）方向の位置を定めることができる。一方、被測定物２８からの反射光は、投光系の光軸と１８度から３０度の角度で配置された結像レンズ２６によって集光され、縦（Ｚ軸）方向位置検出用ＰＳＤ２７に結像される。ＰＳＤ２７に結像されるスポット位置は被測定物の高さが異なると変化し、それを電圧変化として取り出すことができるので、被測定物２８の表面の凹凸（Ｚ軸方向の位置）を測定することができる。そして、測定装置全体を光走査方向と直交方向（Ｙ軸方向）に移動して、上記測定を繰り返すことによって、被測定物２８の３次元位置を測定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した３次元測定では、光走査位置を検出するのにＰＳＤを使用しているが、その電圧特性の直線性が良好でないので、使用される各ＰＳＤに対して特性を計算し、補正を行なう必要がある、という問題がある。
【０００６】
また、ＰＳＤを用いて高さ測定を行なう場合、ＰＳＤに結像されるスポットの重心位置の変化を取り出しているための、スポットの輝度を考慮したデータが得られず、また温度に従ってＰＳＤの特性が変化するので、正確な高さ測定が困難である、という問題もある。
【０００７】
また、従来の３次元測定装置では、フォーカシング非球面レンズと被測定物間の距離が長いために、開口数（Ｎ．Ａ．）が小さくなってしまうので、レーザ光を絞ることができないことから、測定精度を上げることが出来ないという欠点がある。
【０００８】
さらに、従来の３次元測定では、被測定物の全体の凹凸を測定するために、一つのライン光を描くたびに、測定装置全体をライン光の延びる方向と直交方向に移動させる必要があるので、測定装置を移動するための駆動装置が大掛かりなものとなり、その移動時に振動も発生してしまうため、正確な測定が困難であるという問題もある。
【０００９】
従って、本発明は、高精度かつ高速に被測定物の３次元位置を測定することができる３次元測定装置を提供することをその課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明では、
被測定物にライン光を照射し光切断法に基づいて該被測定物の３次元情報を測定する３次元測定装置において、
レーザ光源と、
レーザ光源からのレーザ光を平行光束にする手段と、
前記平行光束にされたレーザ光をライン光として被測定物へ投光する投光ユニットと、
前記投光ユニットを平行光束に向かって前後に移動させ前記ライン光を被測定物上で該ライン光の延びる方向と直交方向に移動させる投光ユニット移動手段と、
前記ライン光の移動によって走査される被測定物を投光軸と所定の角度で撮像する撮像手段とを備え、
撮像された被測定物の像から被測定物の３次元情報を取得する構成を採用している。
【００１１】
このような構成では、平行光束にされたレーザ光がライン光として被測定物に投光され、またライン光を投光する投光ユニットが平行光束に向かって前後に移動され、ライン光の延びる方向と直交方向に移動される。このとき投光ユニットは、常に平行光束を受光して、被測定物に一定の幅のライン光を結像するので、投光ユニットを移動するだけで複数のライン光を被測定物上に形成することができ、高速でしかも高精度の光切断法を用いた３次元測定が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施形態に従って、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の１実施形態を示した３次元測定装置の主要光学部品の構成図であり、図２はその側面図である。各図において、符号１で示すものは、レーザ光源としてのレーザダイオードで、このレーザダイオード１から発光されたレーザ光は、コリメートレンズ２で光学中心軸に平行な平行光束１ａにされる。このレーザ平行光束１ａは、フォーカスレンズ３と投光ミラー４とラインジェネレータレンズ５が組み込まれている投光ユニット７に入射する。レーザ光束は、投光ユニット７内のフォーカスレンズ３によりスポット光となるように絞り込まれ、投光ミラー４によって垂直軸（Ｚ方向）に対して４５度の角度に反射され、ラインジェネレータレンズ５によって幅１４〜２０μｍ、長さ１０ｍｍのライン光９となり、被測定物１１上にＸ方向にライン光９を形成する。
【００１４】
被測定物１１からの散乱反射光は、光軸６ａが垂直軸となるように配置された６ｍｍｘ６ｍｍ視野のノンインターレース式ＣＣＤカメラ６により撮像される。また、この投光ユニット７は、リニアモータ８のシャフト８ａに取り付けられており、リニアモータ８がＹ方向に約１０ｍｍのストロークで直線運動を行なうことにより、２重矢印で示したように、平行光束１ａに平行に往復移動する。この投光ユニット７の移動によりライン光９はライン光の伸びるＸ方向と垂直方向に移動することになる。
【００１５】
図３は、３次元測定装置の回路構成を示したブロック図である。同図において、リニアモータ駆動指令器３１は、ＣＰＵ４４からのスタート信号を受けて、リニアモータドライバ３２にリニアモータ駆動用の指令パルス列を出力し、リニアモータ８を１パルス当たり０．２５μｍ移動させる。リニアモータ駆動指令器３１は、同時にＬＤ（レーザダイオード）オン／ＣＣＤトリガタイミングデコーダ（以下タイミングデコーダという）３５に正／逆方向信号を送り、リニアモータ８が正方向か逆方向のどちらに移動しているかを知らせる。
【００１６】
リニアモータドライバ３２は、指令パルス列を受けてリニアモータを駆動するとともに、リニアモータ８内蔵の位置エンコーダ８ｂからの実際位置を示す信号を受けてリニアモータ８への供給電圧を調整し、リニアモータの位置をフィードバック制御する。
【００１７】
位置カウンタ３４は、リニアモータ８の位置エンコーダ８ｂにより９０度位相の異なるＡ相信号、Ｂ相信号を受け、リニアモータ８の位置を示す位置信号をデジタルデータで出力する。なお、位置カウンタ３４のリセットは、位置エンコーダ８ｂの原点リセット信号により行なう。
【００１８】
タイミングデコーダ３５は、位置カウンタ３４からの位置データを受けてＬＤオンのタイミング信号（１６０μｍピッチ）を出力する。この信号の立ち上がりを受けて、ワンショットマルチバイブレータ（ＭＳ）４６は、２ｍｓ幅のＬＤオンパルスをレーザダイオードドライバ３６に出力し、レーザダイオード１をパルス点灯する。レーザダイオード１には、光量モニタフォトダイオード（不図示）が内蔵されており、これによりレーザダイオード１の光量が一定に制御される。
【００１９】
なお、ＬＤオンの最中にも、リニアモータ８が動いているために、移動方向によりライン光位置がずれるための補正と、正方向と逆方向で半ピッチ分（実施例では８０μｍ）ズラすために、上述したようにリニアモータ駆動指令器３１から正／逆方向信号が入力される。
【００２０】
位置ラッチ３７は、位置カウンタ３４から出力される位置データをＬＤオンのタイミングの立ち上がりでラッチし、そのときのライン光のＹ方向の位置をＭＳ４６からのＬＤオンパルスの立ち下がりタイミングに同期してＣＰＵ４４に伝えている。ＬＤオン中にもライン光が移動して、実際のライン光位置とずれを生じるが、これについては、ライン光移動速度とＬＤオン時間と正／逆方向信号により、ＣＰＵ４４内で補正を行なっている。
【００２１】
一方、同期信号タイミング発生器３９は、タイミングデコーダ３５からＣＣＤカメラ同期タイミング信号を受け、ＨＤ水平同期信号とタイミングを合わせたＶＤ垂直同期信号を出力する。このＶＤ垂直同期信号に関連して、前フレームの各画素の光量データ読み出しが開始される。同時に、各画素での光量蓄積が始まり、ライン光９（この実施形態では４本分）による画像がＣＣＤカメラ６のＣＣＤエリアイメージセンサ３８上に取得される。
【００２２】
ＣＣＤエリアイメージセンサ３８上の像は、同期信号タイミング発生器３９からの垂直レジスタ転送クロック、水平レジスタ転送クロック等により、ドライバ３３を介して各画素の光量値（アナログ値）として読み出される。これが、アンプ４７を介して、Ａ／Ｄ変換器４８に入力され、デジタルデータとして、コンパレータ（比較器）４０に入力される。そして、Ａ／Ｄ変換された各画素の光量値（デジタルデータ）がしきい値４９と比較され、二値化が行なわれる。なお、Ａ／Ｄ変換中のサンプルホールドのタイミングは、水平（レジスタ転送）クロックにより行なわれ、そのときの入力値がホールドされＡ／Ｄ変換される。
【００２３】
立上り／立下り検出器４１は、コンパレータ４０からの二値化された光量データを受けてその立上り及び立下りに同期してパルスを出力する。このパルスは、ＦＩＦＯメモリ４５に書き込みパルスとして入力され、立上り／立下り時の水平アドレスカウンタから送られてくる水平アドレスがＦＩＦＯメモリ４５に書き込まれる。この水平アドレスカウンタ４２は、同期信号タイミング発生器３９からの水平同期信号の立下りでリセットされ、その後水平クロックをカウントすることにより、現在の水平方向の位置を出力するものである。
【００２４】
有効水平走査区間検出回路４３は、ＶＤ垂直同期信号によりリセットされ、ＨＤ水平同期信号をカウントして、ＣＣＤエリアイメージセンサ３８の有効画素部分の水平走査区間信号を出力する。そして、この信号により、ＦＩＦＯメモリ４５の書き込みを有効にする。
【００２５】
ＣＰＵ４４は、有効水平区間検出信号が有効になってから１フレーム分の光点位置データの読み込みをスタートさせる。すなわち、ＨＤ水平同期信号により、最初の有効な水平走査により、ＦＩＦＯメモリ４５に光点データが書き込まれた後で、次の水平走査の開始とともに、ＦＩＦＯメモリ４５のデータを読み込む。この操作を有効水平走査数だけ繰り返す。
【００２６】
ＣＰＵ４４は、このようにして得られた１フレーム分の光点位置データの基準値からのずれを、各ラインごとに演算して高さデータを求める。
【００２７】
次に、このように構成された装置の動作を説明する。
【００２８】
ＣＰＵ４４は、リニアモータ駆動指令器３１にスタート信号を発生し、リニアモータ８を所定位置に移動させる。所定の位置にくると、位置カウンタ３４によって駆動されるタイミングデコーダ３５によりＬＤオン信号が発生してレーザダイオード１が点灯する。
【００２９】
レーザダイオード１から発光されたレーザ光は、コリメートレンズ２で集光されて、光学中心軸に対して平行な平行光束１ａとなり、フォーカスレンズ３によりスポット光となるように絞り込まれる。このレーザスポット光は、投光ミラー４によって入射角に対して４５度の方向に反射され、ラインジェネレータレンズ５に入射する。このレンズ５によりレーザスポット光は、プリズム効果によって一方向（Ｘ方向）に引き伸ばされて、被測定物１１上で幅１４μｍ、長さ１０ｍｍのライン光９となる。
【００３０】
リニアモータ８は、指令器３１の信号に従って一定速度４．８ｍｍ／ｓｅｃでＹ方向に移動され、それに従ってリニアモータ８のシャフトに結合された投光ユニット７もＹ方向に平行光束１ａに平行に直線運動する。投光ユニット７は、平行光線に向かって前後方向に移動するが、フォーカスレンズ３は常に平行光束１ａを受光することになるので、フォーカスレンズ３の結像作用には影響を及ぼすことはなく、被測定物１１には、常に一定の幅のライン光９が結像される。
【００３１】
リニアモータ８が新たな位置にくると、タイミングデコーダ３５によりレーザダイオード１がパルス点灯して同様なライン光９が被測定物１１上に引かれ、以下リニアモータ８の移動に従い、複数のライン光が順次引かれていく。これらの各ライン光は、それぞれライン光の伸びる方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）になっている。
【００３２】
このように複数のライン光９で走査された被測定物１１からの拡散反射光は、被測定物１１の上部に設置された視野６ｍｍ×６ｍｍで、ノンインターレース式のＣＣＤカメラ６によって撮像される。本実施形態では、４本のライン光で走査された被測定物領域が１フレーム分としてＣＣＤカメラ６により撮像される。
【００３３】
リニアモータ８が所定量移動するごとに、タイミングデコーダ３５からのＣＣＤカメラ同期タイミング信号がタイミング発生器３９に入力され、タイミング発生器３９は、ＨＤ水平同期信号とタイミングを合わせたＶＤ垂直同期信号を出力する。このＶＤ垂直同期信号に同期して前フレームに対応するイメージセンサ３８の各画素の光量データの読み出しが開始され、同時に次のフレーム分（４本分のライン光９）に対応する画像に対してイメージセンサ３８の各画素での光蓄積が開始される。
【００３４】
ＣＣＤエリアイメージセンサ３８から読み出される各画素の信号は、上述したように、増幅、Ａ／Ｄ変換された後、コンパレータ４０により２値化され、検出器４３により有効水平走査期間が検出されたときにしきい値４９を越える画素の水平アドレスがＦＩＦＯメモリ４５に格納される。これが水平走査数だけ繰り返され、ＦＩＦＯメモリ４５には、しきい値を越えた光点の画素の水平アドレスが１フレーム分格納される。
【００３５】
ＣＰＵ４４は、有効水平区間検出信号が有効になってから１フレーム分の光点位置データの読み込みをスタートさせ、最初の有効な水平走査によりＦＩＦＯメモリ４５に光点データが書き込まれた後で、次の水平走査の開始とともに該水平走査の有効な部分の光点データを書き込み、更に前の水平走査で書き込まれたＦＩＦＯメモリ４５のデータを読み込み、この操作を有効水平走査数だけ繰り返して、１フレーム分のデータを読み込む。
【００３６】
ＣＰＵ４４は、このようにして得られた１フレーム分の光点位置のデータを各ラインごとに基準値と比較してそのずれを求め、そのずれに応じて高さデータを求める。
【００３７】
被測定物が、電子部品と配線を導通させるためのクリーム半田が印刷されている基板である場合、上記のようにして撮像された１フレーム分の画像が図４に図示されている。図中、左側に盛り上がった部分がクリーム半田の部分である。
【００３８】
このようにして、リニアモータ８が一方向に所定量（約１０ｍｍ）移動すると、リニアモータは逆方向に移動し、正方向に移動したのと同様な処理が行われ、各フレーム毎に高さデータが取得される。
【００３９】
なお、上述したように、レーザダイオード１がオンの最中にも、リニアモータ８が動いているために、移動方向によりライン光位置がずれるための補正がＣＰＵ４４において行われる。また、リニアモータの正方向と逆方向でタイミングが半ピッチ分（実施例では８０μｍ）ずらされる。
【００４０】
なお、図２において、リニアモータ８は投光ユニット７の右側に配置されているが、図５に示すように、リニアモータの移動軸とコリメートレンズ２によって形成される平行光束の光軸２ａが平行になるようにしてリニアモータ８を平行光束の向こう側に配置するようにすることもできる。このような構成にすることにより装置の幅を小さくすることができる。また、図２と同様に、ＣＣＤカメラ６の受光軸６ａと平行光束の光軸２ａが直交するように配置することにより上記幅の範囲内でＣＣＤカメラ６を配置することができる。
【００４１】
図６には、本発明の他の実施形態が図示されている。この実施形態では、ラインジェネレータ５を取除き、フォーカスレンズ３に代えてシリンドリカルレンズ３Ａが使用されている。なお、必要に応じて、シリンドリカルレンズ３Ａとコリメートレンズ２の間に、コリメートレンズ２に近接してビームエキスパンダを挿入する。
【００４２】
この実施形態においても、レーザダイオード１から発生したレーザ光は、コリメートレンズ２で集光されて、光学中心軸に対して平行な平行光束とされ、シリンドリカルレンズ３Ａに入射され、帯状平行光束となる。そして、この帯状平行光束が、投光ミラー４によって入射角に対して４５度の方向に反射され、被測定物１１にライン光９として投光される。
【００４３】
また、図７に示す実施形態では、レーザー平行光を所定角度で振る振動ミラー２０が使用されている。同図において、レーザダイオード１から発生したレーザ光は、コリメートレンズ２で集光されて、比較的径の小さな平行光束となり、振動ミラー２０に投光される。振動ミラー２０は、この平行光束をフォーカスレンズ３の有効径の範囲で左右に振動させ、投光ミラー４に入射させる。そして、レーザ光束は、この投光ミラーにより４５度の方向に反射され、被測定物に入射される。振動ミラー２０を約３０Ｈｚで振動させことによって、レーザ光がライン光９のようになる。
【００４４】
図６及び図７に図示の実施形態における他の構成及び機能は、図１、図２あるいは図５に示したのと同じであり、その説明は省略する。
【００４５】
なお、各実施形態において、レーザ光を被測定物１１の真上から投光し、ＣＣＤカメラ６を斜めに角度を付けて配置することによっても本発明を実現することができる。この方法による時は、受光像の遠近の補正を行う必要があり、ＣＣＤカメラ６の撮像レンズにはあおりの機能を付加する必要が有る。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、平行光束にされたレーザ光がライン光として被測定物に投光され、またライン光を投光する投光ユニットが平行光束に向かって前後に移動され、ライン光の延びる方向と直交方向に移動される。このとき投光ユニットは、常に平行光束を受光して、被測定物に一定の幅のライン光を結像するので、投光ユニットを移動するだけで複数のライン光を被測定物上に形成することができ、高速でしかも高精度の光切断法を用いた３次元測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる３次元測定装置の光学系を示した斜視図である。
【図２】図１の光学系の側面図である。
【図３】本発明の電気的構成を示したブロック図である。
【図４】ＣＣＤカメラで撮像した被測定物の像を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係わる光学系を示した斜視図である。
【図６】本発明の更に他の実施形態に係わる光学系を示した斜視図である。
【図７】本発明の更に他の実施形態に係わる光学系を示した斜視図である。
【図８】従来の２次元測定装置の構成の光学系を示した斜視図である。
【符号の説明】
１レーザーダイオード
２コリメートレンズ
３フォーカスレンズ
３Ａシリンドリカルレンズ
４投光ミラー
５ラインジェネレータ
６ＣＣＤカメラ
７投光ユニット
８リニアアクチュエータ
９ライン光
１１被測定物
２０振動ミラー

Claims

被測定物にライン光を照射し光切断法に基づいて該被測定物の３次元情報を測定する３次元測定装置において、
レーザ光源と、
レーザ光源からのレーザ光を平行光束にする手段と、
前記平行光束にされたレーザ光をライン光として被測定物へ投光する投光ユニットと、
前記投光ユニットを平行光束に向かって前後に移動させ前記ライン光を被測定物上で該ライン光の延びる方向と直交方向に移動させる投光ユニット移動手段と、
前記ライン光の移動によって走査される被測定物を投光軸と所定の角度で撮像する撮像手段とを備え、
撮像された被測定物の像から被測定物の３次元情報を取得することを特徴とする３次元測定装置。
前記レーザ光源は、投光ユニットの移動に連動してパルス点灯されることを特徴とする請求項１に記載の３次元測定装置。
前記投光ユニットがラインジェネレータレンズもしくはシリンドリカルレンズを有し、このラインジェネレータレンズもしくはシリンドリカルレンズによりライン光が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元測定装置。
前記投光ユニットが振動ミラーを有し、この振動ミラーが平行光束を偏向してライン光が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元測定装置。
前記被測定物が、電子部品と配線を導通させるためのクリーム半田が印刷されている基板であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元測定装置。
前記平行光束の光軸と撮像手段の受光軸が直交することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元測定装置。