JP4289893B2 - Appearance measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相シフト法を用いた外観計測装置に関し、特に、自動車部品、半導体電子部品その他の電子部品が実装されたプリント基板、または、プリント基板上に印刷されたクリーム半田などの良否を判定する外観計測装置に関する。なお、本発明に使用する位相シフト法とは、縞状の光パターンの位相を一周期分(−π〜π)だけ変化させながら複数枚の光パターンの画像を撮影し、得られた複数の画像から位相分布を求める公知の方法である。この位相分布から計測対象物の高さ情報が得られる。
【0002】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
従来より、位相シフト法を用いた立体的な計測対象物の外観形状を計測する種々の外観計測装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
これらの装置は、計測対象物上に縞状の光パターンを照射する照射装置と、縞状の光パターンが照射された計測対象物の画像を撮影する撮影装置と、この撮影装置によって撮影された画像に基づいて計測対象物の外観形状を演算する演算装置とを備える。このうち撮影装置には、通常、CCD(固体撮像素子)イメージセンサを用いたラインセンサカメラ、または、公知の画像処理装置であるエリアセンサカメラが用いられているが以下のような課題がある。
【0004】
エリアセンサカメラを使用する場合、撮影装置が1つのエリアセンサカメラを備え、照射装置に光パターンを移動させるための移動格子を取り付け、光パターンを計測対象物に対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位に対する少なくとも3つの画像を撮影するように構成されているので、機械的な構造が複雑となっている。また、エリアセンサカメラにおいては、計測対象物の所定の部位の画像で処理が行える位相シフト法の場合でも、計測対象物の外観形状の検査に不要な撮影範囲に写っている全ての画像を取り込まなければならないので、撮影および演算処理に時間がかかるという課題がある。
【0005】
一方、ラインセンサカメラは計測対象物の外観検査に必要な部位のみ撮影し、上記エリアセンサカメラのように計測対象物の外観形状の検査に不要な画像を取り込まないので演算処理の時間が短くなる。しかしながら、その構成として、例えば、撮影装置が少なくとも3つのラインセンサカメラを備え、計測対象物を光パターンに対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位対する少なくとも3つの画像を撮影するように構成されるか、撮影装置が少なくとも3つの画像を同一の感度で撮影することができる特殊な1つのラインセンサカメラを備え、計測対象物を光パターンに対して移動させることによって撮影装置が計測対象物の同一部位に対する少なくとも3つの画像を撮影するように構成されるので、ラインセンサカメラ本体の構造が複雑となる。また、測定精度を向上させるためにより多くのラインセンサカメラを設置して多くの画像を得ることが望ましいが、機械的な構造が複雑になること、および、4つ以上の画像を同一の感度で撮影することができる1つのラインセンサカメラが存在しないことから、ラインセンサカメラの設置個数が制限され、高い測定精度を得ることが難しいという課題がある。
【0006】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる外観計測装置を提供することを目的とする。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−81924号公報(第4−5、第1図)
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る外観計測装置は、上記の課題を解決するために、光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを計測対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、上記光パターンの周期と異なる周期の間隔で上記相対位置関係を変化させる方向と交差する方向に延びる少なくとも3つの撮影範囲が設定され、上記光パターン照射手段からの光パターンが照射された上記計測対象物の画像を撮影する撮影手段と、上記計測対象物と上記光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段と、上記撮影手段によって撮影された少なくとも3つの、上記撮影範囲に対応する画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により上記計測対象物の各部位の高さ情報を得るべく演算する演算手段とを備え、上記光パターン照射手段は、上記計測対象物と上記光パターンの相対移動方向の前半部分と後半部分とで異なる周期を有する光パターンを照射するように構成されており、上記演算手段は、上記撮影手段によって撮影された画像に基づいて上記前半部分及び上記後半部分の周期の光パターンの位相を計算する位相計算手段と、該位相計算手段によって計算された各位相を接続する位相接続手段とを有し、該位相接続手段が、一方の周期の光パターンの各位相を参照しながら他方の周期の光パターンの各位相を接続するように構成されてなる
【0009】
この構成によれば、撮影手段の撮影範囲の設定を変更するだけで位相シフト法に必要な計測対象物の同一部位に対する少なくとも3つの光の強度(位相)の異なる光パターンが照射された場合の画像を得ることができる。従って、本発明に係る外観計測装置を用いれば、従来のラインセンサカメラを使用する場合のように構造が複雑にならない。また、撮影手段の撮影範囲を設定変更することにより撮影範囲の数を簡単に増やすことができる。これにより、計測対象物の同一部位に対する多くの画像を得ることが可能となる。そして、演算手段ではこれら多くの画像に基づいて計測対象物の高さが演算されるので、これにより得られた高さ情報は精度の高いものになる。なお、撮影手段としては、例えばCMOS(相補性金属酸化膜半導体)イメージセンサが使用される。
【001
上記光パターン照射手段が、上記計測対象物と上記光パターンの相対移動方向の前半部分と後半部分とで異なる周期を有する光パターンを照射するように構成されている。この構成では、各周期の光パターンの一周期から得られる情報量が同じである場合、複数の周期を有する光パターンのうち短周期の光パターンによる高さ情報の分解能(計測精度)は長周期の光パターンより高くなる。従って、これらの高さ情報を組み合わせることにより互いに高さ情報を補間することが可能となる。これにより、複雑な形状の計測対象物であっても計測対象物の高さを精度良く計測することができる。
【001
上記演算手段は、上記撮影手段によって撮影された画像に基づいて上記前半部分及び上記後半部分の周期の光パターンの位相を計算する位相計算手段と、該位相計算手段によって計算された各位相を接続する位相接続手段とを有し、該位相接続手段が、一方の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するように構成されてなる
【001
この構成では、短周期(一の周期)の光パターンの位相を参照しながら長周期(他の周期)の光パターンの位相を接続したり、長周期の光パターンの位相を参照しながら短周期の光パターンの位相を接続することができる。これにより、段差などの不連続部分のある計測対象物であっても光パターンの位相接続を適切に行うことができ、計測対象物の正確な高さ情報を求めることができる。これは、光パターンの周期が異なるため計測対象物の段差部分で短周期の光パターンの位相が重なり合っても(いわゆる、位相飛びを起こしても)長周期の光パターンの位相が同時に重なり合うことがないことによる。
【0013】
上記光パターン照射手段は、上記一方の周期が上記他方の周期の偶数倍となる光パターンを照射する構成であり、上記位相接続手段は、上記一方の周期の光パターンの強度分布をビット変換した計測対象物の第1高さ階調と、上記他方の周期の光パターンの強度分布をビット変換した計測対象物の第2高さ階調とを取得する構成であり、かつ、上記第1高さ階調の値が第1所定値以内であり且つ上記第2高さ階調が偶数でない場合には、上記第2高さ階調に1を加算するとともに、上記第1高さ階調が第2所定値以上であり且つ上記第2高さ階調が奇数でない場合には、上記第2高さ階調に1を減算する構成であってよいまた、上記位相接続手段は、上記第1高さ階調のビット列に対して上記第2高さ階調のビット列の上位部分を合成する構成であってもよい
【001
上記撮影手段の撮影範囲が計測対象物の外観形状に応じて設定変更可能に構成されてもよい。この構成では、撮影手段の撮影範囲が設定変更可能であるので、計測対象物の計測寸法に応じて拡大または縮小することが可能である。従って、大きな計測対象物の高さを計測する場合であっても、1つの撮影装置で対応することができるので構造が簡単になる。また、小さな計測対象物にあっては計測に不要な撮影を防止することができるので、演算手段の処理速度を向上させることが可能となる。
【001
上記変位手段が、計測対象物に対して光パターン照射手段および撮影手段を、または、光パターン照射手段および撮影手段に対して計測対象物を変位可能に構成されてもよい。これにより、従来の、光パターン照射手段に移動格子を取り付けて光パターンを計測対象物に対して移動させる場合に比べて構造が簡単になる。上記光パターン照射手段の光パターンが、上記変位手段の変位方向に沿って正弦波状に光の強度が変化するように構成されてもよい。これにより、位相シフト法による高さ情報を得るための演算を簡易なものとすることができ、演算手段の処理速度を速くすることも可能となる。
【0016】
上記演算手段が、撮影手段によって撮影された計測対象物の同一部位に対する少なくとも3つの画像上の光の強度分布から該部位の高さ情報を得るべく演算する第1演算処理テーブルをさらに備えるように構成されてもよい。この構成では、第1演算処理テーブルを参照することにより計測対象物の各部位の高さ情報を得ることができる。従って、高さ情報を迅速に得ることが可能となる。
【0017】
上記演算手段が、一の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するための第2演算処理テーブルをさらに備えてもよい。この構成では、第2演算処理テーブルを参照することにより位相接続を正確に、かつ、迅速に行うことができる。これにより、正確な高さ情報を迅速に得ることが可能となる。
【0018】
上記演算手段が該演算手段によって演算された計測対象物の高さ情報に基づいて該計測対象物の良否を判定する判定手段をさらに備えており、該判定手段が、予め設定された基準となる計測対象物の各部の高さ情報と、検査対象となる計測対象物を撮影して得られた画像から演算された該計測対象物の各部の高さ情報との相違に基づいて計測対象物の良否を判定するように構成されてもよい。
【0019】
この構成では、判定手段を備えるので計測対象物の良否を簡単に判定することができる。なお、基準となる計測対象物Mの各部位の高さ情報として、撮影装置により予め撮影された基準となる計測対象物の画像情報、基準となる計測対象物のCAD(コンピュータ支援設計)変換データ、または、ユーザによる入力データなどに基づいて予め演算され設定されたものを使用する。従って、計測対象物の設計変更などにも極めて簡単に対応することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0021】
図1は、本発明の実施形態に係る外観計測装置の構成を示すブロック図である。
この外観計測装置は、縞状の光パターンPを計測対象物Mの表面上に照射する光パターン照射装置1と、この光パターン照射装置1からの光パターンPが照射された計測対象物Mの画像を撮影する撮影装置2と、この撮影装置2によって撮影された画像に基づいて位相シフト法により計測対象物Mの各部位の高さ情報を得るべく演算する演算処理装置3と、計測対象物Mと光パターンPとの相対位置関係を変化させる変位装置Tとを備えている。
【0022】
この変位装置Tは、計測対象物Mを搭載するテーブル4と、このテーブル4を一方向(図1の矢符X方向)に所定の速度で直線移動させる駆動機構5と、この駆動機構5を駆動させるモータ6と、このモータ6に電源を供給し駆動させるモータ駆動装置7とを備える。
【0023】
テーブル4はリニアガイド(図示せず)によって水平に支持されたスライダなどからなる。駆動機構5はボールねじまたはベルトなどからなり、テーブル4とモータ6とを連結してモータ6の回転動作をテーブル4の直線移動に変えるため使用される。従って、モータ6の駆動によりテーブル4に搭載された計測対象物Mは一方向に直線移動させることが可能となる。なお、モータ6として位置決めが容易なサーボモータなどを使用することが望ましい。また、テーブル4はリニアモータによって直線移動させるように構成されてもよい。
【0024】
光パターン照射装置1は格子投影器であり、テーブル4の表面の法線方向に対して計測対象物Mの移動方向に所定の角度だけ傾斜させた方向(図1の矢符L方向)、すなわち、計測対象物Mの移動方向側の斜め上方から計測対象物Mの表面に光パターンPを照射するように配置されている。光パターンPはレーザ干渉縞などである。
【0025】
図2は光パターン照射装置からテーブル上に照射された光パターンの一例を示している。図示するように光パターンPは計測対象物Mの移動方向に縞状に配され、全体が楕円形状をなしている。なお、ここでは、光パターンPの形状を楕円形状にしているがこれに限定するものではない。例えば、矩形状であっても構わない。これにより、光パターンPを照射する範囲を拡大することができる。この縞状の光パターンPは計測対象物Mの移動方向に対して後側半分の部分には周期(ピッチ)P1の第1光パターンPP1が形成され、前側半分の部分には周期(ピッチ)P2の第2光パターンPP2が形成されている。ここでは、P2=P1x8になるように設定されている。このように複数の周期P1、P2の光パターンPを用いるのは、計測対象物Mの形状変化が大きい場合にもその形状を精度良く求めるためである。詳細は後述する。
【0026】
なお、ここでは、2つの周期P1、P2の光パターンPを設定しているが、計測対象物Mの形状に応じて1または3以上の周期の光パターンPを設定しても構わない。具体的には、例えば、計測対象物Mの形状変化が緩やかな場合には1つの周期の光パターンPを使用し、計測対象物Mの形状変化が急激である場合(例えば、段差がある場合)には複数の周期の光パターンPを使用する。
【0027】
また、図示されていないが光パターンPは位相シフト法による高さ情報の演算を簡易にするため一周期で光の強度が正弦波状に変化するように設定されている。
【0028】
撮影装置2は、テーブル4の上方に、テーブル4に対向して配置され、図2に示すように予め設定された所定の撮影範囲20を撮影することができるようになっている。この撮影範囲20は計測対象物Mの形状に応じて適宜設定される。
【0029】
また、この撮影範囲20内には、上記光パターンの周期P1、P2とそれぞれ異なる周期の間隔で配置された、計測対象物Mの移動方向に対して交差する方向に延びる少なくとも3つの撮影範囲が設定されている。
【0030】
そして、撮影装置2は、計測対象物Mの表面上の同一部位が各撮影範囲の真下にきたときに計測対象物Mの表面上の同一部位を撮影するように構成されている。そのため、撮影装置2は、計測対象物Mの移動に同期して予め設定された回数の撮影を行うことができるように構成されている。詳細は後述する。これにより、計測対象物Mの同一部位に異なる光パターンPが照射された少なくとも3つの画像を撮影することができる。
【0031】
以上のような撮影装置2として、例えばCMOS(相補性金属酸化膜半導体)イメージセンサが使用される。このCMOSイメージセンサカメラでは、撮影範囲を任意に設定することができるので、撮影範囲の数は3つに限定されることはない。従って、計測対象物Mの外観形状(高さ)の測定精度を向上させるためにさらに多くの撮影範囲を設定することも可能である。
【0032】
演算処理装置3は、入力部30、演算部31、記憶部32、および出力部33を備えており、これらは配線を介してそれぞれ接続されている。また、演算処理装置3は、撮影装置2の撮影画像取込開始信号を出力するカウント比較装置8と、テーブル4の位置を決める位置決め装置9とにそれぞれ配線を介して接続されている。また、上述したモータ6にはテーブル4の現在位置を計測するための位置センサ9aが取り付けられており、この位置センサ9aは位置決め装置9に配線を介して接続されている。
【0033】
入力部30は撮影装置2およびカウント比較装置8に接続されており、撮影装置2からの画像情報、および、カウント比較装置8からの画像取込開始情報が入力されるようになっている。入力部30には、論理回路からなる演算処理テーブル30aが組み込まれている。この演算処理テーブル30aは撮影装置2からの画像情報に基づいて計測対象物Mの各部位の高さ情報を得るべく演算する機能などを備える。さらに、入力部30は演算処理テーブル30aで得られた高さ情報を演算部31に出力可能に接続されている。なお、ここでは、入力部30が演算処理テーブル30aを備えるが、演算処理テーブル30aを記憶部32に設けてもよい。
【0034】
演算部31はマイクロプロセッサを主体に構成されており、記憶部32はリードオンリーメモリ(ROM)およびランダムアクセスメモリ(RAM)を含み、演算部31の動作手順を規定するプログラム、または、演算部31によって処理されるべきデータを記憶する。
【0035】
演算部31は、計測対象物Mの移動と撮影装置2の撮影とを同期させるため予め記憶部32に記憶されたテーブル4の移動位置および移動速度を出力部33を介して位置決め装置9に送信するように構成されている。この位置決め装置9は、受信したテーブル4の移動位置をモータ駆動装置7に送信するように構成されている。これにより、位置決め装置9からのテーブル4の移動位置および移動速度に基づいてモータ駆動装置7はモータ6を駆動させ、これによってテーブル4は駆動機構5を介して一方向に移動せしめられる。
【0036】
同時に、演算部31は、計測対象物Mの移動と撮影装置2の撮影とを同期させるため予め記憶部32に記憶された画像取込開始位置を出力部33を介してカウント比較装置8に送信するように構成されている。このカウント比較装置8は、画像取込開始位置と、位置センサ9aから位置決め装置9を介して送信された移動中のテーブル4の現在位置とを比較して、テーブル4の現在位置が画像取込開始位置と一致したときに上記入力部30に画像取込開始情報を出力するようになっている。これにより、演算部31が前記画像取込開始情報に基づいて撮影装置2からの画像情報を入力部30に取込開始させる。
【0037】
以上のように計測対象物Mの移動と撮影装置2の撮影とを同期させることにより計測対象物Mの表面上の所定の部位と撮影した画像情報との対応付けがなされる。
【0038】
また、演算部31は、上記演算処理テーブル30aからの計測対象物Mの各部位の高さ情報と、基準となる計測対象物Mの各部位の高さ情報とを比較して、これらの差が所定の値を超えるか否かによって計測対象物Mの良否を判定するように構成されている。この判定結果は表示装置(図示せず)などに表示されるようになっている。なお、基準となる計測対象物Mの各部位の高さ情報は、撮影装置2により予め撮影された基準となる計測対象物Mの画像情報、基準となる計測対象物のCAD(コンピュータ支援設計)変換データ、または、ユーザによる入力データなどに基づいて演算されており記憶部32に記憶されている。
【0039】
以上のように構成された外観計測装置の作用について図3〜図6を用いて説明する。なお、本実施形態では外観計測装置に使用される演算処理装置3は8ビット(256個)の高さ情報を処理することができるものとする。ただし、この情報量は計測対象物Mの外観形状を計測する精度、計測処理速度または設備費用などに応じて適宜設定されるものであり、この数値に限定されるものではない。
【0040】
図3は光パターン照射装置から計測対象物に光パターンが照射される状態を模式的に示す側面図である。図示するように、まず、光パターン照射装置1より異なる2つの周期P1、P2の光パターンP(図2参照)がテーブル4の表面の法線方向に対して計測対象物Mの移動方向に所定の角度αだけ傾斜させた方向から計測対象物Mに照射される。上述したように異なる周期P1、P2はP2=P1x8に設定されている。具体的に、例えば、P1=1mmとするとP2=8mmとなる。なお、ここでは、P2=P1x8に設定されているが、計測対象物Mの形状に応じてP2=P1x2からP2=P1x128の間の偶数倍に設定されてもよい。この点に関しては後述する。
【0041】
撮影装置2は、変位装置Tによって一方向(図1のX方向)に移動する計測対象物Mの表面上の同一部位が予め設定された各撮影範囲20(図2参照)の真下にきたときに計測対象物Mの表面上の同一部位を撮影する。この撮影範囲20としては、例えば、幅200mm、長さ200mmの計測対象物Mを計測する場合には、幅220mm、長さ20mm程度に設定される。従って、周期P1(1mm)の第1光パターンPP1では撮影装置2によって20周期分が同時に撮影される。周期P2(8mm)の第2光パターンPP2では撮影装置2によって2周期分が同時に撮影される。実際には、このように撮影装置2によって撮影された画像のうち位相シフト法による高さ情報の演算に必要な画像のみを適宜選択し、その画像に基づいて計測対象物Mの高さが演算される。
【0042】
さらに、この撮影範囲には、第1および第2光パターンPP1、PP2の周期P1、P2と異なるように撮影範囲が設定される。上述したように位相シフト法では計測対象物Mの同一部位に対する少なくとも3つの光強度の光パターンPが照射された画像が必要であるので、例えば、光パターンPの一周期に対してこの撮影範囲を4つ設定すると、P1=1mmの第1光パターンPP1では0.25mm間隔で撮影範囲が設定され、P2=8mmの第2光パターンPP2では2mm間隔で撮影範囲が設定される。そして、撮影装置2がこの各撮影範囲に対応する計測対象物Mの表面上の画像を撮影する。
【0043】
なお、上述の撮影範囲は一例であり、計測対象物Mの形状、光パターンの周期の数、計測対象物Mの同一部位に対する光強度の異なる光パターンが照射される画像の数などに応じて適宜設定される。
【0044】
撮影装置2が撮影した画像は、画像情報として入力部30に入力される。そして、入力部30の演算処理テーブル30aは画像情報に基づいて位相シフト法により計測対象物Mの高さ情報(高さ)を得るべく演算する。
【0045】
図3を参照して、この計測対象物Mの高さH1は、下式(数1)より求めることができる。
【0046】
【数1】
tanα=D1/H1
なお、D1は、第1および第2光パターンPP1、PP2が計測対象物Mに照射されるか否かにより第1および第2光パターンPP1、PP2の縞が計測対象物Mの移動方向(図3の矢符X方向)に変位せしめられる量(第1および第2光パターンPP1、PP2の位相ずれに対応する変位量)である。この変位量D1は位相シフト法により求められる。また、αは、テーブル4の表面の法線方向に対する第1および第2光パターンPP1、PP2の照射角度である。
【0047】
以上より、(数1)において、例えば、α=45°とすると、第1および第2光パターンPP1、PP2のそれぞれの周期P1、P2に対応する計測可能高さH1max、H2maxは光パターンPの周期P1、P2にそれぞれ等しくなる。その理由は、第1および第2光パターンPP1、PP2の隣り合う縞が重なる限界の変位量D1がそれぞれの周期P1、P2であり、これを超えると変位した第1および第2光パターンPP1、PP2の縞が変位する前のどの縞のものに対応するのか区別することができないからである。具体的には、P1=1mmの場合、H1max=P1となりH1max=1mmとなる。同様に、P2=8mmの場合、H2max=P2となりH2max=8mmとなる。
【0048】
また、この場合の高さ情報の分解能は、演算処理装置3が光パターンPの一周期に対して8ビット(256個)の高さ情報を処理することができるので、例えば、第1光パターンPP1の分解能H1resは、H1res=H1max/256=3.90625マイクロメートルとなる。同様に、第2光パターンPP2の分解能H2resは、H2res=H2max/256=31.25マイクロメートルとなる。
【0049】
以上のように第1光パターンPP1を計測対象物Mに照射する場合、これに対応する計測可能高さH1maxは小さいが分解能が高くなる。その結果、第1光パターンPP1の周期P1、すなわち計測可能高さH1maxより測定対象物Mの実際の高さの変化量が大きい場合には、上述したように変位量D1も測定可能高さH1maxを超えるので、第1光パターンPP1の1つの縞が周期P1を超えて大きく計測対象物Mの移動方向に変位して他の縞と重なり合う。これにより、計測対象物Mの正確な高さを得ることができない。一方、第2光パターンPP2を計測対象物Mに照射する場合、第2光パターンPP2に対応する計測可能高さは大きいがその代わり分解能が低くなる。それゆえ、計測対象物Mの全体の外観形状の変化は把握することはできるが精度の高い計測結果を得ることはできない。そこで、本実施形態では、第1および第2光パターンPP1、PP2を組み合わせることにより、第2光パターンPP2を用いて計測対象物Mの全体形状の変化を把握し、第1光パターンPP1を用いて計測精度の向上を図っている。以下、さらに詳細に説明する。
【0050】
図4(a)は、本発明の一実施形態に係る外観計測装置を用いて計測対象物Mの一部位の高さを計測して得られた結果の一例を示す図である。図中横軸は第1および第2光パターンPP1、PP2の周期P1、P2にそれぞれ対応する計測対象物Mの第1高さ階調H1hexおよび第2高さ階調H2hexである。この第1および第2高さ階調H1hex、H2hexはそれぞれ上記変位量D1から求められるものであり、第1および第2光パターンPP1,PP2の一周期(−π〜π)の光の強度分布を256個に変換した値(0〜255)である。縦軸は計測対象物Mの高さである。
【0051】
図4(a)に示すように第1光パターンPP1に対応する計測対象物Mの高さH12は0〜1mmの間で計測対象物Mの移動方向に対して繰り返し変化する。また、これに対応する第1高さ階調H1hexも0〜255の間で計測対象物Mの移動方向に対して繰り返し変化する。一方、第2光パターンPP2に対応する計測対象物Mの高さH13は0〜8mmの間で計測対象物Mの移動方向に対して変化する。また、これに対応する第2高さ階調H2hexも0〜255の間で計測対象物Mの移動方向に対して変化する。
【0052】
なお、ここでは、第2光パターンPP2の一周期P2分のみを示しているが、これも第1光パターンPP1同様、第2光パターンPP2に対応する計測対象物Mの高さH13は0〜8mmの間で計測対象物Mの移動方向に対して繰り返し変化し、これに対応する第2高さ階調H2hexも0〜255の間で計測対象物Mの移動方向に対して繰り返し変化する。また、ここでは、計測対象物Mの高さが単調に増加する場合を示している。
【0053】
図4(b)は図4(a)中の破線で示す範囲BBを拡大して示した図である。第1光パターンPP1に対応する計測対象物Mの高さH12は第1高さ階調H1hexの増加に従って増加する。そして、第1高さ階調H1hexが255になったときに計測対象物Mの高さH12が1mmになり、これを超えると第1高さ階調H1hexが0になり計測対象物Mの高さH12も0mmになる。しかし、これに対応する第2光パターンPP2に対応する計測対象物Mの高さH13は、第2光パターンPP2の計測可能高さH2maxが第1光パターンPP1に比べて大きいので第1光パターンPP1のように0mmになることはなく計測対象物Mの実際の高さになる。従って、第2光パターンPP2に対応する計測対象物Mの高さH13を参照すれば各周期ごとの第1光パターンPP1に対応する計測対象物Mの高さH12をそれぞれ正確に接続(位相接続)することが可能となり、これにより計測対象物Mの正確な高さを得ることができる。このように計測対象物Mの正確な高さを得るためには、正確な位相接続が行われることが重要である。以下に、より具体的に説明する。
【0054】
図5は、計測対象物Mの高さ(例えば、0.01、0.98、0.99、1.00、1.01および7.99mm)に対応する第1および第2高さ階調の演算結果を示す図である。図示するように、第1高さ階調H1hexのみの場合、計測対象物Mの高さH12が0.01mmと1.01mmとに対応する第1高さ階調H1hexがいずれも2となり区別が付かない。しかしながら、この結果に第2高さ階調H2hexの結果を反映すると計測対象物Mの高さH12が0.01mmと1.01mmとに対応する第2高さ階調H2hexがそれぞれ0および32となり区別することが可能となる。このようにして正確な位相接続(計測対象物Mの高さH12が1.00mmから0.01mmではなく1.01mmになる)が実施される。その結果、計測対象物Mの正確な高さが求められる。
【0055】
また、計測対象物Mの高さを計測中に誤差が発生することにより計測対象物Mの高さH13が0.99mmで第1高さ階調H1hex=253、第2高さ階調H2hex=32になった場合であっても、第1高さ階調H1hexに基づいて正しい第2高さ階調H2hexを求めることができる。詳細は後述する。これにより、第2高さ階調H2hexの正確な位相接続が実施され、その結果計測対象物Mの正確な高さが求められる。
【0056】
次に、上記処理をさらに具体的に図6に基づいて説明する。図6は、本発明の一実施形態に係る外観計測装置の高さを演算処理するフロー図を示す。
【0057】
撮影装置2が計測対象物Mを撮影する(S1)。この撮影装置2から入力部30に入力された画像情報に基づいて演算処理テーブル30aが上記(数1)に示す変位量D1を算出する(S2、S4)。ステップS2では、第1光パターンPP1に対応する変位量D1を算出する。ステップ4では、第2光パターンPP2に対応する変位量D1を算出する。その後、それぞれの変位量D1から第1および第2高さ階調H1hex、H2hexを算出する(S3、S5)。
【0058】
その後、H1hex>5であるか否か判定する(S6)。ステップS6においてH1hex>5でない場合、第2高さ階調H2hexが偶数であるか否か判定する(S7)。ステップS7において、第2高さ階調H2hexが偶数でない場合にはH2hex=H2hex+1に置き換え(S8)、第2高さ階調H2hexが偶数である場合にはそのままの数字としてステップS12にて処理される。また、ステップS6においてH1hex>5である場合には、H1hex<250であるか否か判定する(S9)。
【0059】
ステップS9において、第1高さ階調H1hex<250でない場合には第2高さ階調H2hexが奇数であるか否か判定する(S10)。ステップS10において、第2高さ階調H2hexが奇数でない場合には第2高さ階調H2hex=H2hex−1に置き換え(S11)、第2高さ階調H2hexが奇数である場合にはそのままの数字としてステップS12にて処理される。また、ステップS9において、第1高さ階調H1hex<250である場合には第1高さ階調H1hexと第2高さ階調H2hexとで精度が高くなったH2hexがステップS12で生成される。以上のステップS6〜S11に従えば、例えば、上述した計測対象物Mの高さを計測中に誤差が発生することにより計測対象物Mの高さH13が0.99mmで第1高さ階調H1hex=253、第2高さ階調H2hex=32になった場合であっても、第1高さ階調H1hex=253(S9)且つ第2高さ階調H2hexが偶数(S10)であるので、第2高さ階調H2hex=H2hex−1(S11)となり正しい第2高さ階調H2hex=31(図5参照)を導くことができる。
【0060】
ステップS12では、上述した第1高さ階調H1hex(8ビット)と第2高さ階調H2hex(8ビット)とが合成されて、第2高さ階調H2hex(11ビット)が求められる。この場合、第1高さ階調H1hex(8ビット)と第2高さ階調H2hex(8ビット)との同一項が5ビットあるため第2高さ階調H2hexの上位3ビットが第1高さ階調H1hexと異なる。これにより、第1高さ階調H1hex(8ビット)と第2高さ階調H2hex(3ビット)とが合成され、第2高さ階調H2hexは11ビットになる。そして、ステップS12において得られた高さ階調H2hex(11ビット)に基づいて計測対象物Mの高さが算出される。その結果、8ビットの情報に基づいた計測対象物Mの高さ情報に比べて精度の高い高さ情報が得られる。なお、ここでは、光パターンPの異なる周期の関係がP2=P1x8である場合を示しているが、P2=P1x128の場合には、第1高さ階調H1hex(8ビット)および第2高さ階調H2hex(8ビット)の同一項が1ビットであるので、これらを合成すると15ビットの第2高さ階調H2hexになる。
【0061】
上記ステップS2、S4が位相計算手段を構成し、ステップS3、S5、S6〜S1が位相接続手段を構成する。上記演算処理テーブル30aが第1演算処理テーブルを構成する。
【0062】
また、上記位相接続手段を第2演算処理テーブルに置き換えてもよい。これにより演算処理速度の向上を図ることが可能となる。
【0063】
また、上述したステップS6〜S11において第2高さ階調が偶数であるか奇数であるかを判定する工程があるので周期P1、P2の関係は一方の周期に対して他方の周期を偶数倍としている。従って、情報量が8ビット(256個)である場合、周期P2はP2=P1x2からP2=P1x128の間で調整される。もちろん、情報量が8ビットでない場合には、その情報量に基づいて設定される。例えば、情報量が4ビット(16個)の場合、P2=P1x2からP2=P1x8の間で調整される。
【0064】
さらに、演算処理装置3では、以上のようにして演算された計測対象物Mの各部位の高さ情報と、基準となる計測対象物Mの各部位の高さ情報とを比較して、これらの差が所定の値を超えるか否かによって計測対象物Mの良否を判定する。
【0065】
【発明の効果】
本発明によれば、構造が簡単であって高い精度の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る外観計測装置の構成を示すブロック図である。
【図2】光パターン照射装置からテーブル上に照射された光パターンの一例を示す図である。
【図3】光パターン照射装置から計測対象物に光パターンが照射される状態を模式的に示す側面図である。
【図4】本発明の一実施形態に係る外観計測装置を用いて計測対象物の高さを計測して得られた結果の一例を示す図である。
【図5】計測対象物の高さに対応する第1および第2高さ階調の演算結果を示す図である。
【図6】本発明の一実施形態に係る外観計測装置が計測対象物の高さを演算処理するフロー図を示す。
【符号の説明】
1 光パターン照射装置
2 撮影装置
3 演算処理装置
4 テーブル
5 駆動機構
6 モータ
7 モータ駆動装置
8 カウント比較装置
9 位置決め装置
9a 位置センサ
M 計測対象物
P 光パターン
T 変位装置
30a 演算処理テーブル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an appearance measuring apparatus using a phase shift method, and in particular, determines whether or not a printed board on which automobile parts, semiconductor electronic parts and other electronic parts are mounted, or cream solder printed on the printed board, etc. The present invention relates to an appearance measuring apparatus. In addition, the phase shift method used in the present invention is to capture a plurality of light pattern images obtained by shooting images of a plurality of light patterns while changing the phase of the striped light pattern by one period (-π to π). This is a known method for obtaining a phase distribution from an image. The height information of the measurement object can be obtained from this phase distribution.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
Conventionally, various appearance measuring apparatuses that measure the appearance of a three-dimensional measurement object using a phase shift method have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
These apparatuses are photographed by an irradiation device that irradiates a measurement target with a striped light pattern, a photographing device that photographs an image of the measurement target irradiated with the striped light pattern, and the photographing device. And an arithmetic unit that calculates the external shape of the measurement object based on the image. Of these, a line sensor camera using a CCD (solid-state imaging device) image sensor or an area sensor camera, which is a known image processing apparatus, is usually used for the photographing apparatus, but has the following problems.
[0004]
When an area sensor camera is used, the imaging apparatus includes one area sensor camera, a moving grid for moving the light pattern is attached to the irradiation apparatus, and the imaging apparatus is moved by moving the light pattern relative to the measurement object. Since it is configured to take at least three images of the same part of the measurement object, the mechanical structure is complicated. In addition, in the area sensor camera, even in the case of the phase shift method in which processing can be performed with an image of a predetermined part of the measurement target, all images captured in the imaging range unnecessary for the inspection of the external shape of the measurement target are captured. Therefore, there is a problem that it takes time for photographing and calculation processing.
[0005]
On the other hand, the line sensor camera captures only the part necessary for the appearance inspection of the measurement object, and does not capture an unnecessary image for the inspection of the appearance shape of the measurement object unlike the area sensor camera, so the calculation processing time is shortened. . However, as its configuration, for example, the imaging apparatus includes at least three line sensor cameras, and the imaging apparatus captures at least three images of the same part of the measurement object by moving the measurement object with respect to the light pattern. The imaging apparatus includes one special line sensor camera that can capture at least three images with the same sensitivity, and the imaging apparatus moves by moving the measurement object with respect to the light pattern. Since it is configured to capture at least three images of the same part of the measurement object, the structure of the line sensor camera body is complicated. In order to improve measurement accuracy, it is desirable to install more line sensor cameras to obtain more images. However, the mechanical structure becomes complicated, and four or more images can be obtained with the same sensitivity. Since there is no one line sensor camera that can shoot, there is a problem that the number of installed line sensor cameras is limited and it is difficult to obtain high measurement accuracy.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an appearance measuring device having a simple structure and capable of performing highly accurate measurement.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-81924 (4-5, FIG. 1)
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an external appearance measuring apparatus according to the present invention is a light pattern irradiating unit that irradiates a surface of a measurement object with a striped light pattern in which the intensity of light periodically changes; At least three shooting ranges extending in a direction intersecting with the direction in which the relative positional relationship is changed at intervals of a period different from the period of the light pattern are set, An imaging unit that captures an image of the measurement object irradiated with the light pattern from the light pattern irradiation unit, and a displacement unit that changes a relative positional relationship between the measurement object and the light pattern. And above Calculating means for calculating height information of each part of the measurement object by a phase shift method based on an intensity distribution of light on an image corresponding to the imaging range captured by the imaging means; Preparation The light pattern irradiating means is configured to irradiate light patterns having different periods in the first half part and the second half part in the relative movement direction of the measurement object and the light pattern. Phase calculating means for calculating the phase of the light pattern of the period of the first half part and the latter half part based on an image photographed by the photographing means, and phase connecting means for connecting each phase calculated by the phase calculating means The phase connecting means is configured to connect each phase of the light pattern of the other period while referring to each phase of the light pattern of the other period. .
[0009]
According to this configuration, at least three light patterns having different intensities (phases) of light with respect to the same part of the measurement target necessary for the phase shift method are irradiated simply by changing the setting of the photographing range of the photographing unit. An image can be obtained. Therefore, when the appearance measuring apparatus according to the present invention is used, the structure is not complicated as in the case of using a conventional line sensor camera. In addition, the number of shooting ranges can be easily increased by changing the setting of the shooting range of the shooting means. This makes it possible to obtain many images for the same part of the measurement object. And since the height of the measurement object is calculated based on these many images in the calculation means, the height information obtained thereby becomes highly accurate. For example, a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) image sensor is used as the photographing means.
001 0 ]
The light pattern irradiating means is Irradiate light patterns having different periods in the first half and the second half in the relative movement direction of the measurement object and the light pattern. Configured to Have . In this configuration, when the amount of information obtained from one cycle of the light pattern of each cycle is the same, the resolution (measurement accuracy) of the height information by the short cycle light pattern among the light patterns having a plurality of cycles is a long cycle. Higher than the light pattern. Therefore, it is possible to interpolate height information with each other by combining these height information. Thereby, even if it is a measurement object of a complicated shape, the height of a measurement object can be measured accurately.
001 1 ]
The above calculation means Is the above Based on the image taken by the photographing means The first half and the second half Phase calculating means for calculating the phase of the light pattern of the period, and phase connecting means for connecting the respective phases calculated by the phase calculating means. Possess The phase connecting means is One of Other while referring to each phase of the light pattern of the period Direction Is configured to connect each phase of the light pattern with a period of Become .
001 2 ]
In this configuration, the phase of a light pattern with a long period (another period) is connected while referring to the phase of a light pattern with a short period (one period), or the period of a short period with reference to the phase of a light pattern with a long period The phases of the light patterns can be connected. Thereby, even if it is a measurement target object with a discontinuous part, such as a level | step difference, the phase connection of an optical pattern can be performed appropriately and the exact height information of a measurement target object can be calculated | required. This is because the phase of the light pattern of the long period is overlapped at the same time even if the phase of the light pattern of the short period overlaps at the step portion of the measurement object (so-called phase jump). By not.
[0013]
The light pattern irradiating means is configured to irradiate a light pattern in which the one period is an even multiple of the other period, and the phase connecting means bit-converts the intensity distribution of the light pattern in the one period. The first height gradation of the measurement object and the second height gradation of the measurement object obtained by bit-converting the intensity distribution of the light pattern of the other period, and the first height When the height gradation value is within the first predetermined value and the second height gradation is not an even number, 1 is added to the second height gradation, and the first height gradation is When the second predetermined value is not less than the second predetermined value and the second height gradation is not an odd number, 1 may be subtracted from the second height gradation. . The phase connecting means may be configured to synthesize the upper part of the bit string of the second height gradation with the bit string of the first height gradation. .
001 4 ]
The photographing range of the photographing means may be configured to be changeable according to the external shape of the measurement object. In this configuration, since the setting of the shooting range of the shooting means can be changed, it can be enlarged or reduced according to the measurement dimension of the measurement object. Therefore, even when measuring the height of a large object to be measured, the structure can be simplified since it can be handled by a single photographing apparatus. In addition, since it is possible to prevent photographing unnecessary for measurement in a small measurement object, it is possible to improve the processing speed of the calculation means.
001 5 ]
The displacement means may be configured to be able to displace the light pattern irradiating means and the photographing means relative to the measurement object, or to displace the measurement object relative to the light pattern irradiating means and the photographing means. As a result, the structure is simplified compared to the conventional case where a moving grating is attached to the light pattern irradiating means and the light pattern is moved relative to the measurement object. . Up The light pattern of the light recording pattern irradiating means may be configured such that the light intensity changes in a sine wave shape along the displacement direction of the displacement means. As a result, the calculation for obtaining the height information by the phase shift method can be simplified, and the processing speed of the calculation means can be increased.
[0016]
The calculation means further includes a first calculation processing table for calculating height information of the part from light intensity distributions on at least three images for the same part of the measurement object imaged by the imaging means. It may be configured. In this configuration, the height information of each part of the measurement object can be obtained by referring to the first calculation processing table. Accordingly, height information can be obtained quickly.
[0017]
The calculation means may further include a second calculation processing table for connecting each phase of the light pattern of another cycle while referring to each phase of the light pattern of one cycle. In this configuration, the phase connection can be accurately and quickly performed by referring to the second arithmetic processing table. Thereby, accurate height information can be obtained quickly.
[0018]
The calculation means further includes a determination means for determining the quality of the measurement object based on the height information of the measurement object calculated by the calculation means, and the determination means becomes a preset reference. Based on the difference between the height information of each part of the measurement object and the height information of each part of the measurement object calculated from the image obtained by photographing the measurement object to be inspected It may be configured to determine pass / fail.
[0019]
In this configuration, since the determination unit is provided, the quality of the measurement object can be easily determined. In addition, as height information of each part of the measurement object M serving as a reference, image information of the measurement object serving as a reference photographed in advance by the imaging apparatus, CAD (computer aided design) conversion data of the measurement object serving as a reference Alternatively, those previously calculated and set based on user input data or the like are used. Therefore, it is possible to very easily cope with a design change of the measurement object.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an appearance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
This appearance measuring device includes a light pattern irradiating device 1 that irradiates a surface of a measurement object M with a striped light pattern P, and a measurement object M irradiated with the light pattern P from the light pattern irradiating device 1. An imaging apparatus 2 that captures an image, an arithmetic processing apparatus 3 that calculates to obtain height information of each part of the measurement object M by a phase shift method based on an image captured by the imaging apparatus 2, and a measurement object A displacement device T that changes the relative positional relationship between M and the light pattern P is provided.
[0022]
The displacement device T includes a table 4 on which the measurement object M is mounted, a drive mechanism 5 that linearly moves the table 4 in one direction (the arrow X direction in FIG. 1), and the drive mechanism 5. A motor 6 to be driven and a motor driving device 7 for supplying power to the motor 6 and driving it are provided.
[0023]
The table 4 is composed of a slider or the like supported horizontally by a linear guide (not shown). The drive mechanism 5 includes a ball screw or a belt, and is used for connecting the table 4 and the motor 6 to change the rotational operation of the motor 6 to linear movement of the table 4. Therefore, the measurement object M mounted on the table 4 can be linearly moved in one direction by driving the motor 6. It is desirable to use a servo motor or the like that can be easily positioned as the motor 6. The table 4 may be configured to be moved linearly by a linear motor.
[0024]
The light pattern irradiating device 1 is a lattice projector, and is a direction (indicated by an arrow L in FIG. 1) inclined by a predetermined angle in the moving direction of the measurement object M with respect to the normal direction of the surface of the table 4. The light pattern P is arranged to irradiate the surface of the measurement object M from obliquely above on the moving direction side of the measurement object M. The light pattern P is a laser interference fringe or the like.
[0025]
FIG. 2 shows an example of a light pattern irradiated on the table from the light pattern irradiation device. As shown in the figure, the light pattern P is arranged in a stripe shape in the moving direction of the measurement object M, and the whole is in the shape of an ellipse. Here, although the shape of the light pattern P is an elliptical shape, the shape is not limited to this. For example, it may be rectangular. Thereby, the range which irradiates the light pattern P can be expanded. In the striped light pattern P, a first light pattern PP1 having a period (pitch) P1 is formed in the rear half portion with respect to the moving direction of the measurement object M, and a period (pitch) is formed in the front half portion. A second light pattern PP2 of P2 is formed. Here, P2 = P1 × 8 is set. The reason for using the light patterns P having a plurality of periods P1 and P2 in this way is to obtain the shape with high accuracy even when the shape change of the measurement object M is large. Details will be described later.
[0026]
Here, although the light patterns P having two periods P1 and P2 are set, the light pattern P having one or more periods may be set according to the shape of the measurement object M. Specifically, for example, when the shape change of the measurement object M is gentle, the light pattern P of one cycle is used, and when the shape change of the measurement object M is abrupt (for example, when there is a step) ) Uses a light pattern P having a plurality of periods.
[0027]
Although not shown, the light pattern P is set so that the intensity of light changes in a sine wave pattern in one cycle in order to simplify the calculation of height information by the phase shift method.
[0028]
The photographing device 2 is arranged above the table 4 so as to face the table 4 and can photograph a predetermined photographing range 20 set in advance as shown in FIG. This imaging range 20 is appropriately set according to the shape of the measurement object M.
[0029]
Further, in this imaging range 20, there are at least three imaging ranges that are arranged at intervals different from the periods P1 and P2 of the light pattern and extend in a direction intersecting the moving direction of the measurement object M. Is set.
[0030]
And the imaging device 2 is comprised so that the same site | part on the surface of the measurement target object M may be image | photographed when the same site | part on the surface of the measurement target object M comes just under each imaging | photography range. Therefore, the imaging device 2 is configured to perform imaging for a preset number of times in synchronization with the movement of the measurement object M. Details will be described later. Thereby, at least three images in which different light patterns P are irradiated on the same part of the measurement object M can be taken.
[0031]
For example, a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) image sensor is used as the imaging device 2 as described above. In this CMOS image sensor camera, since the photographing range can be set arbitrarily, the number of photographing ranges is not limited to three. Therefore, in order to improve the measurement accuracy of the external shape (height) of the measurement object M, it is possible to set more photographing ranges.
[0032]
The arithmetic processing device 3 includes an input unit 30, a calculation unit 31, a storage unit 32, and an output unit 33, which are connected via wiring. The arithmetic processing device 3 is connected to a count comparison device 8 that outputs a captured image capture start signal of the imaging device 2 and a positioning device 9 that determines the position of the table 4 via wiring. Further, a position sensor 9a for measuring the current position of the table 4 is attached to the motor 6 described above, and this position sensor 9a is connected to the positioning device 9 via wiring.
[0033]
The input unit 30 is connected to the imaging device 2 and the count comparison device 8, and receives image information from the imaging device 2 and image capture start information from the count comparison device 8. The input unit 30 incorporates an arithmetic processing table 30a composed of logic circuits. The calculation processing table 30a has a function of calculating to obtain height information of each part of the measurement object M based on image information from the imaging apparatus 2. Furthermore, the input unit 30 is connected so that the height information obtained from the calculation processing table 30a can be output to the calculation unit 31. Although the input unit 30 includes the arithmetic processing table 30a here, the arithmetic processing table 30a may be provided in the storage unit 32.
[0034]
The arithmetic unit 31 is configured mainly with a microprocessor, and the storage unit 32 includes a read-only memory (ROM) and a random access memory (RAM), and a program that defines the operation procedure of the arithmetic unit 31 or the arithmetic unit 31. Store the data to be processed by.
[0035]
The calculation unit 31 transmits the movement position and movement speed of the table 4 stored in advance in the storage unit 32 to the positioning device 9 via the output unit 33 in order to synchronize the movement of the measurement object M and the photographing of the photographing device 2. Is configured to do. The positioning device 9 is configured to transmit the received movement position of the table 4 to the motor driving device 7. As a result, the motor driving device 7 drives the motor 6 based on the moving position and moving speed of the table 4 from the positioning device 9, whereby the table 4 is moved in one direction via the driving mechanism 5.
[0036]
At the same time, the calculation unit 31 transmits the image capture start position stored in advance in the storage unit 32 to the count comparison device 8 via the output unit 33 in order to synchronize the movement of the measurement object M and the imaging of the imaging device 2. Is configured to do. The count comparison device 8 compares the image capture start position with the current position of the moving table 4 transmitted from the position sensor 9a through the positioning device 9, and the current position of the table 4 is captured. When it coincides with the start position, image capture start information is output to the input unit 30. Thereby, the calculating part 31 makes the input part 30 start taking in the image information from the imaging device 2 based on the said image taking-in start information.
[0037]
As described above, the movement of the measurement object M and the photographing of the photographing apparatus 2 are synchronized, thereby associating a predetermined part on the surface of the measurement target M with the photographed image information.
[0038]
The calculation unit 31 compares the height information of each part of the measurement target M from the calculation processing table 30a with the height information of each part of the measurement target M serving as a reference, and compares these differences. Whether the measurement object M is good or bad is determined based on whether or not exceeds a predetermined value. The determination result is displayed on a display device (not shown). Note that the height information of each part of the measurement object M serving as a reference includes image information of the measurement object M serving as a reference, which has been imaged in advance by the imaging apparatus 2, and CAD (computer-aided design) of the measurement object serving as a reference. It is calculated based on the conversion data or user input data, and is stored in the storage unit 32.
[0039]
The operation of the appearance measuring apparatus configured as described above will be described with reference to FIGS. In this embodiment, it is assumed that the arithmetic processing unit 3 used in the appearance measuring apparatus can process 8-bit (256 pieces) of height information. However, this information amount is appropriately set according to the accuracy of measuring the external shape of the measurement object M, the measurement processing speed, the facility cost, etc., and is not limited to this numerical value.
[0040]
FIG. 3 is a side view schematically showing a state in which the measurement target is irradiated with the light pattern from the light pattern irradiation apparatus. As shown in the figure, first, light patterns P (see FIG. 2) having two periods P 1 and P 2 different from those of the light pattern irradiating apparatus 1 are predetermined in the moving direction of the measurement object M with respect to the normal direction of the surface of the table 4. The measurement object M is irradiated from the direction inclined by the angle α. As described above, the different periods P1 and P2 are set to P2 = P1 × 8. Specifically, for example, if P1 = 1 mm, then P2 = 8 mm. Here, although P2 = P1x8 is set, it may be set to an even multiple between P2 = P1x2 and P2 = P1x128 according to the shape of the measurement object M. This point will be described later.
[0041]
When the imaging device 2 is located directly below each preset imaging range 20 (see FIG. 2), the same part on the surface of the measurement object M that moves in one direction (X direction in FIG. 1) by the displacement device T. The same part on the surface of the measuring object M is imaged. For example, when the measurement object M having a width of 200 mm and a length of 200 mm is measured, the imaging range 20 is set to a width of about 220 mm and a length of about 20 mm. Therefore, in the first light pattern PP1 having the period P1 (1 mm), 20 periods are simultaneously imaged by the imaging device 2. In the second light pattern PP2 having the period P2 (8 mm), two periods are simultaneously photographed by the photographing apparatus 2. Actually, only the image necessary for the calculation of the height information by the phase shift method is appropriately selected from the images captured by the imaging device 2 in this way, and the height of the measurement object M is calculated based on the image. Is done.
[0042]
Further, the photographing range is set to be different from the periods P1 and P2 of the first and second light patterns PP1 and PP2. As described above, the phase shift method requires an image irradiated with the light pattern P of at least three light intensities on the same part of the measurement object M. For example, this imaging range is obtained for one period of the light pattern P. Are set at intervals of 0.25 mm for the first light pattern PP1 with P1 = 1 mm, and are set at intervals of 2 mm for the second light pattern PP2 with P2 = 8 mm. And the imaging device 2 images the image on the surface of the measurement object M corresponding to each imaging range.
[0043]
Note that the above-described imaging range is an example, depending on the shape of the measurement object M, the number of periods of the light pattern, the number of images irradiated with light patterns having different light intensities on the same part of the measurement object M, and the like. Set as appropriate.
[0044]
An image photographed by the photographing device 2 is input to the input unit 30 as image information. Then, the calculation processing table 30a of the input unit 30 calculates to obtain the height information (height) of the measurement object M by the phase shift method based on the image information.
[0045]
Referring to FIG. 3, the height H1 of the measurement object M can be obtained from the following equation (Equation 1).
[0046]
[Expression 1]
tan α = D1 / H1
Note that D1 indicates that the stripes of the first and second light patterns PP1 and PP2 are moved in the moving direction of the measurement object M (FIG. 5) depending on whether or not the measurement object M is irradiated with the first and second light patterns PP1 and PP2. 3 (the amount of displacement corresponding to the phase shift between the first and second light patterns PP1 and PP2). This displacement amount D1 is obtained by the phase shift method. Α is an irradiation angle of the first and second light patterns PP1 and PP2 with respect to the normal direction of the surface of the table 4.
[0047]
From the above, in (Equation 1), for example, when α = 45 °, the measurable heights H1max and H2max corresponding to the periods P1 and P2 of the first and second light patterns PP1 and PP2 are as follows. It becomes equal to the periods P1 and P2, respectively. The reason is that the limit displacement D1 where the adjacent stripes of the first and second light patterns PP1 and PP2 overlap is the respective periods P1 and P2, and the first and second light patterns PP1 and PP1 that have been displaced beyond this limit P1 and P2, respectively. This is because it is impossible to distinguish which stripe before PP2 is displaced. Specifically, when P1 = 1 mm, H1max = P1 and H1max = 1 mm. Similarly, when P2 = 8 mm, H2max = P2 and H2max = 8 mm.
[0048]
Further, the resolution of the height information in this case is that the arithmetic processing unit 3 can process 8 bits (256 pieces) of height information for one period of the light pattern P. The resolution H1res of PP1 is H1res = H1max / 256 = 3.90625 micrometers. Similarly, the resolution H2res of the second light pattern PP2 is H2res = H2max / 256 = 31.25 micrometers.
[0049]
As described above, when the measurement object M is irradiated with the first light pattern PP1, the measurable height H1max corresponding to this is small, but the resolution is high. As a result, when the change amount of the actual height of the measurement object M is larger than the period P1 of the first light pattern PP1, that is, the measurable height H1max, the displacement amount D1 is also measurable height H1max as described above. Therefore, one stripe of the first light pattern PP1 exceeds the period P1 and is largely displaced in the moving direction of the measurement object M and overlaps with the other stripes. Thereby, the exact height of the measuring object M cannot be obtained. On the other hand, when the measurement object M is irradiated with the second light pattern PP2, the measurable height corresponding to the second light pattern PP2 is large, but the resolution is lowered instead. Therefore, it is possible to grasp the change in the overall external shape of the measurement object M, but it is not possible to obtain a highly accurate measurement result. Therefore, in the present embodiment, by combining the first and second light patterns PP1 and PP2, a change in the overall shape of the measurement object M is grasped using the second light pattern PP2, and the first light pattern PP1 is used. To improve measurement accuracy. This will be described in more detail below.
[0050]
Fig.4 (a) is a figure which shows an example of the result obtained by measuring the height of one site | part of the measuring object M using the external appearance measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. In the figure, the horizontal axis represents the first height gradation H1hex and the second height gradation H2hex of the measurement object M corresponding to the periods P1 and P2 of the first and second light patterns PP1 and PP2, respectively. The first and second height gradations H1 hex and H2 hex are obtained from the displacement amount D1, respectively, and the intensity distribution of light in one period (−π to π) of the first and second light patterns PP1 and PP2. Is a value (0 to 255) converted to 256. The vertical axis represents the height of the measurement object M.
[0051]
As shown in FIG. 4A, the height H12 of the measurement object M corresponding to the first light pattern PP1 repeatedly changes with respect to the moving direction of the measurement object M between 0 and 1 mm. Further, the corresponding first height gradation H1hex also repeatedly changes with respect to the moving direction of the measuring object M between 0 and 255. On the other hand, the height H13 of the measurement object M corresponding to the second light pattern PP2 changes with respect to the moving direction of the measurement object M between 0 and 8 mm. Further, the second height gradation H2hex corresponding to this also changes with respect to the moving direction of the measuring object M between 0 and 255.
[0052]
Note that, here, only one period P2 of the second light pattern PP2 is shown, but the height H13 of the measurement object M corresponding to the second light pattern PP2 is also 0 to 0 as in the first light pattern PP1. The second height gradation H2hex corresponding to the moving direction of the measuring object M repeatedly changes between 8 mm and the second height gradation H2hex corresponding to this. Here, a case where the height of the measuring object M increases monotonously is shown.
[0053]
FIG. 4B is an enlarged view of a range BB indicated by a broken line in FIG. The height H12 of the measurement object M corresponding to the first light pattern PP1 increases as the first height gradation H1hex increases. When the first height gradation H1hex becomes 255, the height H12 of the measurement object M becomes 1 mm, and beyond this, the first height gradation H1hex becomes 0 and the measurement object M becomes high. The height H12 is also 0 mm. However, since the height H13 of the measurement object M corresponding to the second light pattern PP2 corresponding to the second light pattern PP2 is larger than the first light pattern PP1, the measurable height H2max of the second light pattern PP2 is larger than the first light pattern PP1. Unlike PP1, it does not become 0 mm, but becomes the actual height of the measurement object M. Accordingly, referring to the height H13 of the measurement object M corresponding to the second light pattern PP2, the height H12 of the measurement object M corresponding to the first light pattern PP1 for each period is accurately connected (phase connection). Thus, the accurate height of the measurement object M can be obtained. Thus, in order to obtain an accurate height of the measurement object M, it is important that an accurate phase connection is performed. More specific description will be given below.
[0054]
FIG. 5 shows first and second height gradations corresponding to the height of the measurement object M (for example, 0.01, 0.98, 0.99, 1.00, 1.01 and 7.99 mm). It is a figure which shows the calculation result of. As shown in the figure, in the case of only the first height gradation H1 hex, the first height gradation H1 hex corresponding to the height H12 of the measurement object M of 0.01 mm and 1.01 mm are both 2 and are distinguished. Not attached. However, if the result of the second height gradation H2hex is reflected in this result, the second height gradation H2hex corresponding to the height H12 of the measurement object M of 0.01 mm and 1.01 mm becomes 0 and 32, respectively. It becomes possible to distinguish. In this way, accurate phase connection (the height H12 of the measurement object M is changed from 1.00 mm to 1.01 mm instead of 0.01 mm) is performed. As a result, the exact height of the measurement object M is required.
[0055]
Further, when an error occurs during the measurement of the height of the measurement object M, the height H13 of the measurement object M is 0.99 mm, the first height gradation H1hex = 253, and the second height gradation H2hex = Even in the case of 32, the correct second height gradation H2hex can be obtained based on the first height gradation H1hex. Details will be described later. Thereby, the accurate phase connection of the second height gradation H2hex is performed, and as a result, the accurate height of the measurement object M is obtained.
[0056]
Next, the above process will be described more specifically with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart for calculating the height of the appearance measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
[0057]
The imaging device 2 images the measurement object M (S1). Based on the image information input from the photographing apparatus 2 to the input unit 30, the arithmetic processing table 30a calculates the displacement amount D1 shown in (Expression 1) (S2, S4). In step S2, a displacement amount D1 corresponding to the first light pattern PP1 is calculated. In step 4, a displacement amount D1 corresponding to the second light pattern PP2 is calculated. Thereafter, the first and second height gradations H1hex and H2hex are calculated from the respective displacement amounts D1 (S3, S5).
[0058]
Thereafter, it is determined whether or not H1hex> 5 (S6). If H1hex> 5 is not satisfied in step S6, it is determined whether or not the second height gradation H2hex is an even number (S7). In step S7, if the second height gradation H2hex is not an even number, it is replaced with H2hex = H2hex + 1 (S8). If the second height gradation H2hex is an even number, the number is processed as it is in step S12. The If H1hex> 5 in step S6, it is determined whether H1hex <250 (S9).
[0059]
In step S9, if the first height gradation H1hex <250 is not satisfied, it is determined whether or not the second height gradation H2hex is an odd number (S10). In step S10, if the second height gradation H2hex is not an odd number, it is replaced with the second height gradation H2hex = H2hex-1 (S11). If the second height gradation H2hex is an odd number, it remains unchanged. The number is processed in step S12. In step S9, if the first height gradation H1hex <250, H2hex having higher accuracy in the first height gradation H1hex and the second height gradation H2hex is generated in step S12. . According to the above steps S6 to S11, for example, an error occurs during measurement of the height of the measurement object M described above, so that the height H13 of the measurement object M is 0.99 mm and the first height gradation. Even when H1hex = 253 and the second height gradation H2hex = 32, the first height gradation H1hex = 253 (S9) and the second height gradation H2hex is an even number (S10). Thus, the second height gradation H2hex = H2hex−1 (S11), and the correct second height gradation H2hex = 31 (see FIG. 5) can be derived.
[0060]
In step S12, the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height gradation H2hex (8 bits) are combined to obtain the second height gradation H2hex (11 bits). In this case, since the same term of the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height gradation H2hex (8 bits) is 5 bits, the upper 3 bits of the second height gradation H2hex are the first high. This is different from the gradation H1 hex. As a result, the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height gradation H2hex (3 bits) are combined, and the second height gradation H2hex becomes 11 bits. Then, the height of the measurement object M is calculated based on the height gradation H2hex (11 bits) obtained in step S12. As a result, high-precision height information is obtained as compared to the height information of the measurement object M based on 8-bit information. Here, the case where the relationship between the different periods of the light pattern P is P2 = P1x8 is shown, but when P2 = P1x128, the first height gradation H1hex (8 bits) and the second height Since the same term of the gradation H2hex (8 bits) is 1 bit, when these are combined, a second height gradation H2hex of 15 bits is obtained.
[0061]
Steps S2 and S4 constitute phase calculation means, and steps S3, S5, S6 to S1. 2 Constitutes phase connecting means. The arithmetic processing table 30a constitutes a first arithmetic processing table.
[0062]
The phase connecting means may be replaced with a second calculation processing table. As a result, the calculation processing speed can be improved.
[0063]
In addition, since there is a step of determining whether the second height gradation is an even number or an odd number in steps S6 to S11 described above, the relationship between the periods P1 and P2 is an even multiple of the other period with respect to one period. It is said. Therefore, when the amount of information is 8 bits (256), the period P2 is adjusted between P2 = P1x2 and P2 = P1x128. Of course, when the amount of information is not 8 bits, it is set based on the amount of information. For example, when the amount of information is 4 bits (16 pieces), the amount is adjusted between P2 = P1x2 and P2 = P1x8.
[0064]
Further, the arithmetic processing device 3 compares the height information of each part of the measurement object M calculated as described above with the height information of each part of the measurement object M serving as a reference. The quality of the measurement object M is determined based on whether or not the difference between the two exceeds a predetermined value.
[0065]
【The invention's effect】
According to the present invention, the structure is simple and highly accurate measurement can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an appearance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a light pattern irradiated on a table from a light pattern irradiation device.
FIG. 3 is a side view schematically showing a state in which a measurement object is irradiated with a light pattern from the light pattern irradiation device.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a result obtained by measuring the height of a measurement object using the appearance measuring device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing calculation results of first and second height gradations corresponding to the height of a measurement object.
FIG. 6 is a flowchart for calculating the height of a measurement object by an appearance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Light pattern irradiation device
2 Shooting device
3 arithmetic processing unit
4 tables
5 Drive mechanism
6 Motor
7 Motor drive device
8 Count comparison device
9 Positioning device
9a Position sensor
M Measurement object
P light pattern
T displacement device
30a arithmetic processing table

Claims (8)

光の強度が周期的に変化する縞状の光パターンを計測対象物の表面上に照射する光パターン照射手段と、
上記光パターンの周期と異なる周期の間隔で上記相対位置関係を変化させる方向と交差する方向に延びる少なくとも3つの撮影範囲が設定され、上記光パターン照射手段からの光パターンが照射された上記計測対象物の画像を撮影する撮影手段と、
上記計測対象物と上記光パターンとの相対位置関係を変化させる変位手段と、
上記撮影手段によって撮影された少なくとも3つの、上記撮影範囲に対応する画像上の光の強度分布に基づいて位相シフト法により上記計測対象物の各部位の高さ情報を得るべく演算する演算手段とを備え
上記光パターン照射手段は、上記計測対象物と上記光パターンの相対移動方向の前半部分と後半部分とで異なる周期を有する光パターンを照射するように構成されており、
上記演算手段は、上記撮影手段によって撮影された画像に基づいて上記前半部分及び上記後半部分の周期の光パターンの位相を計算する位相計算手段と、該位相計算手段によって計算された各位相を接続する位相接続手段とを有し、該位相接続手段が、一方の周期の光パターンの各位相を参照しながら他方の周期の光パターンの各位相を接続するように構成されてなる、外観計測装置。
A light pattern irradiating means for irradiating the surface of the measurement object with a striped light pattern in which the intensity of light periodically changes;
The measurement object in which at least three imaging ranges extending in a direction intersecting with the direction in which the relative positional relationship is changed at intervals of a period different from the period of the light pattern are set and irradiated with the light pattern from the light pattern irradiation unit Photographing means for photographing an image of an object;
Displacement means for changing a relative positional relationship between the measurement object and the light pattern ;
At least three photographed by the photographing means, a calculating means for calculating to obtain height information of each part of the measurement object by the phase shift method based on the intensity distribution of the light on the image corresponding to the photographing range equipped with a,
The light pattern irradiating means is configured to irradiate light patterns having different periods in the first half part and the second half part in the relative movement direction of the measurement object and the light pattern,
The calculation means connects the phase calculation means for calculating the phase of the light pattern of the period of the first half part and the latter half part based on the image photographed by the photographing means, and each phase calculated by the phase calculation means And a phase connecting means configured to connect each phase of the light pattern of the other period while referring to each phase of the light pattern of the one period. .
上記光パターン照射手段は、上記一方の周期が上記他方の周期の偶数倍となる光パターンを照射する構成であり、
上記位相接続手段は、
上記一方の周期の光パターンの強度分布をビット変換した計測対象物の第1高さ階調と、上記他方の周期の光パターンの強度分布をビット変換した計測対象物の第2高さ階調とを取得する構成であり、かつ、
上記第1高さ階調の値が第1所定値以内であり且つ上記第2高さ階調が偶数でない場合には、上記第2高さ階調に1を加算するとともに、上記第1高さ階調が第2所定値以上であり且つ上記第2高さ階調が奇数でない場合には、上記第2高さ階調に1を減算する構成である、請求項1記載の外観計測装置。
The light pattern irradiation means is configured to irradiate a light pattern in which the one cycle is an even multiple of the other cycle,
The phase connecting means is
The first height gradation of the measurement object obtained by bit conversion of the intensity distribution of the light pattern of the one period and the second height gradation of the measurement object obtained by bit conversion of the intensity distribution of the light pattern of the other period. And, and
When the value of the first height gradation is within the first predetermined value and the second height gradation is not an even number, 1 is added to the second height gradation and the first height gradation is added. 2. The appearance measuring device according to claim 1 , wherein when the height gradation is equal to or greater than a second predetermined value and the second height gradation is not an odd number, 1 is subtracted from the second height gradation. .
上記位相接続手段は、上記第1高さ階調のビット列に対して上記第2高さ階調のビット列の上位部分を合成する構成である、請求項2記載の外観計測装置。 3. The appearance measuring apparatus according to claim 2 , wherein the phase connecting means is configured to synthesize an upper part of the bit string of the second height gradation with the bit string of the first height gradation . 上記変位手段が、上記計測対象物に対して上記光パターン照射手段および撮影手段を、または、上記光パターン照射手段および撮影手段に対して上記計測対象物を変位可能に構成されてなる、請求項1乃至3のいずれかに記載の外観計測装置。The said displacement means is comprised so that the said measurement target can be displaced with respect to the said measurement target object with respect to the said light pattern irradiation means and imaging | photography means, or the said light pattern irradiation means and imaging | photography means. The appearance measuring device according to any one of 1 to 3 . 上記光パターン照射手段の光パターンが上記変位手段の変位方向に沿って正弦波状に光の強度が変化するように構成されてなる、請求項1乃至のいずれかに記載の外観計測装置。The appearance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the light pattern of the light pattern irradiating means is configured so that the intensity of light changes sinusoidally along the displacement direction of the displacing means. 上記演算手段が、上記撮影手段によって撮影された計測対象物の同一部位に対する少なくとも3つの画像上の光の強度分布から該部位の高さ情報を得るべく演算する第1演算処理テーブルをさらに備えてなる、請求項1乃至のいずれかに記載の外観計測装置。The calculation means further includes a first calculation processing table for calculating height information of the part from light intensity distributions on at least three images for the same part of the measurement object imaged by the imaging means. becomes, the appearance measuring device according to any one of claims 1 to 5. 上記演算手段が一の周期の光パターンの各位相を参照しながら他の周期の光パターンの各位相を接続するための第2演算処理テーブルをさらに備えてなる、請求項または記載の外観計測装置。The external appearance according to claim 5 or 6 , wherein the arithmetic means further includes a second arithmetic processing table for connecting each phase of the light pattern of another cycle while referring to each phase of the light pattern of one cycle. Measuring device. 上記演算手段が、該演算手段によって演算された上記計測対象物の高さ情報に基づいて該計測対象物の良否を判定する判定手段をさらに備えており、
該判定手段が、予め設定された基準となる上記計測対象物の各部の高さ情報と、検査対象となる計測対象物を撮影して得られた画像から演算された該計測対象物の各部の高さ情報との相違に基づいて計測対象物の良否を判定するように構成されてなる、請求項1乃至7のいずれかに記載の外観計測装置。
The calculation means further comprises a determination means for determining the quality of the measurement object based on the height information of the measurement object calculated by the calculation means,
The determination means includes the height information of each part of the measurement target serving as a reference that is set in advance, and each part of the measurement target calculated from an image obtained by photographing the measurement target to be inspected. The appearance measuring device according to any one of claims 1 to 7, wherein the appearance measuring device is configured to determine whether or not the measurement object is good based on a difference from the height information.
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