JP4454714B2 - 被測定物の測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
木発明は、被測定物の測定方法及びその装置、更に詳細には、ライン光を用い光切断法に基づいて被測定物を三次元測定する被測定物の測定方法及びその装置に関する。
【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、光切断法を用いた三次元測定が行なわる。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、その構成の一例が図１に示されている。
【０００３】
図１において、光源であるライン光発生器２１から発生したライン光２２は、斜め上方から所定の角度で被測定物２３に投光され、被測定物２３の表面に形成された面形状に沿ってできた像が垂直上方よりＣＣＤカメラ２４で撮影される。ＣＣＤカメラで撮影した画像はＣＣＤカメラ制御器２５でＡ／Ｄ変換され、画像取込み器２６で取り込まれる。そして、その取り込まれたデータは次の座標演算装置２７によって被測定物２３の三次元座標に変換される。クリーム半田印刷機に組込んで使用するような、クリーム半田高さ測定装置においては、図１の点線で囲まれた部分（測定ユニット）が、ＸＹ移動ガントリーに組み込まれる。
【０００４】
このような構成で、クリーム半田印刷機に、印刷用の配線基板が搬入されると、配線基板とステンシルの位置決め完了後に、配線基板のパッド面にクリーム半田が印刷される。配線基板のパッド面への印刷が完了した後に、ＸＹ移動ガントリーによって、初期待避位置から、目的とする測定位置まで、上述の測定ユニットが移動される。そして配線基板上のパッド面上のクリーム半田形状に沿って形成されたライン光２２の像が、ＣＣＤカメラ２４によって撮像される。測定ユニットはその後初期退避位置に再び移動され、その位置で退避する。
【０００５】
以上の撮像データから、配線基板のパッド面の高さ方向の重心位置座標と、クリーム半田部の高さ方向の重心位置座標が計算される。そして、配線基板のパッド面の高さ方向の重心位置座標とクリーム半田部の高さ方向の重心位置座標の差し引きから、配線基板のパッド面を基準として、印刷後のクリーム半田部の高さが算出され、各パッド面にわたるクリーム半田部の平均高さが算出される。三次元形状を得るためには、光切断位置を変えた複数のデータが必要となる。例えば長さが２ｍｍのパッドに印刷されたクリーム半田の三次元形状を得るために、０．０５ｍｍのピッチで光切断を行うとする。この場合は、クリーム半田印刷後に、クリーム半田の形状に沿ってできたライン光の像を、ＣＣＤカメラで、光切断の位置を変えながら４０回撮像する必要がある。すなわち光切断一本の切断毎に測定ユニットを微小移動させることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、従来装置において、光切断の位置を微小に変える場合、ＣＣＤカメラが搭載された重い測定ユニットを移動しなければならず、ＸＹ移動ガントリーに対しては、目的とする測定位置までのスキップ機能と、測定目的位置での微小移動という二つの機能を持たせねばならず、ＸＹ移動ガントリー駆動用のサーボ系が、複雑になるという問題点があった。また、光切断一本の切断毎に測定ユニットを微小移動させ、ライン光を投光して撮像しなければならず測定に時間がかかるという問題点があった。
【０００７】
従って、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、クリーム半田のような被測定物を安価な構成で確実に三次元測定することが可能な被測定物の測定方法及び装置を提供することをその課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光切断線の引かれた被測定物を撮像して光切断法に基づき被測定物を三次元測定する被測定物の測定方法及び装置において、光切断開始位置から光切断線が重ならない荒い第１のピッチで順次光切断線を引いて被測定物を撮像し、前記光切断開始位置から第１のピッチより狭い第２のピッチに相当する距離分だけ光切断開始位置をずらせ、そのずれた光切断開始位置から第１のピッチで順次光切断線を引いて被測定物を撮像し、前記光切断開始位置を順次ずらせて撮像することを複数回数行い、前記撮像された複数の画像から第１のピッチで引かれた複数の光切断線による高さデータを取得し、第２のピッチの順番で並べ替えて、第２の狭いピッチでの光切断データを得ると共に、前記撮像された画像から、光切断位置におよそ既知である被測定物の高さの１／２を加えた位置を中心として、前記第１のピッチに等しい幅で画像データを取出して、光切断線毎に二値化処理と高さ計算処理を行うことを特徴としている。
【０００９】
このような構成では、一つの撮像視野内に複数の光切断線を引いて撮像するので、測定時間を大幅に短縮することができる。また、光切断開始位置を所望する光切断ピッチづつずらせて複数画像撮像し、その複数の画像データから高さデータを前記ずらせたピッチの順に配列することにより細かな所望の光切断ピッチの高さデータを得ることができるので、高い測定精度を得ることが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１１】
図２は、本発明の１実施形態に係わる三次元測定装置の構成を示す斜視図であり、図３はその側面図である。各図において、レーザダイオード１から射出されるレーザ光は、コリメートレンズ２により平行光束にされ、フォーカシングレンズ３、投光ミラー４を介してラインジェネレータレンズ５に入射する。ラインジェネレータレンズ５によりレーザ光は、被測定物（クリーム半田ないしそれが印刷される基板面）１１にライン光９として投光され、そのライン光の像がＣＣＤカメラ６により撮像される。フォーカシングレンズ３、投光ミラー４並びにラインジェネレータレンズ５は、投光ユニット７として構成され、リニアアクチュエータ８により矢印１０に示した方向に往復動される。
【００１２】
レーザダイオード１の接合面は被測定物である基板面と平行になるように構成されており、その光はコリメートレンズ２で集光され平行光となる。フォーカシングレンズ３はこの平行光をスポット光となるように絞り込み、フォーカシングレンズ３からの光は、投光ミラー４により垂直軸と４５度の角度をなすように曲げられる。フォーカシングレンズ３は被測定物１１上で、小さなスポット径を結ぶように作用するが、フォーカシングレンズ３から被測定物１１への光路の途中に置かれたラインジェネレータレンズ５の作用により、一方向に引き伸ばされてライン光となる。このようにしてレーザ光は、幅１４〜２０μｍ（本実施形態では１４μｍ）、長さ１０ｍｍのライン光９として被測定物１１に投光され、被測定物からの拡散反射光が、ＣＣＤカメラ６により撮像される。
【００１３】
リニアアクチュエータ８は、その軸を前後に直線運動する作用を持っていて、その軸にはフォーカシングレンズ３、投光ミラー４並びにラインジェネレータレンズ５からなる投光ユニット７が取付けられており、コリメートレンズ２によって形成された平行光線に向かって投光ユニット７が、矢印１０で示したように、前後直線運動をする。平行光線に向かって前後に直線運動を行っても、フォーカシングレンズ３の結像作用には影響を及ぼさないから、被測定物１１には常に一定の幅のライン光が結像される。そして、このライン光の像が真上に取り付けられたＣＣＤカメラ６によって撮像される。ＣＣＤカメラ６の視野は６ｍｍ×６ｍｍで、ノンインターレースであり、またリニアアクチュエータ８のストロークは１０ｍｍである。
【００１４】
図３において、投光ユニット７は右端から左に、一定速度４．８ｍｍ／ｓｅｃで移動される。ＣＣＤカメラ６の視野内の所定の個所に投光出来る位置に来た時に、レーザダイオード１を２ｍｓｅｃ間点灯する。これによる撮像画像を図４に示す。図４において、リニアアクチュエータ８が移動してＰ１〜Ｐ３の光切断の位置に移動したときに、それぞれレーザダイオードが点灯され、パッド面３０ｂから突出したクリーム半田３０ａがライン光により光切断され撮像されている状態が示されている。
【００１５】
このように、リニアアクチュエータ８を微小移動させながらクリーム半田の形状に沿ってできたライン光の像を、ＣＣＤカメラで、光切断の位置を変えながら多数撮像して、各データから、例えば、図１に示したような座標演算器を用いて、配線基板のパッド面３０ｂの高さ方向の重心位置座標と、クリーム半田部３０ａの高さ方向の重心位置座標を計算し、各重心位置座標の差し引きから、配線基板のパッド面を基準として、印刷後のクリーム半田部の高さを算出する。そして各パッド面にわたるクリーム半田部の平均高さを算出する。
【００１６】
クリーム半田の凹凸形状を更に詳しく解析する場合には、光切断ピッチを狭くする必要がある。しかしながら、上述した方法で一本の光切断線ごとに撮像したのでは非常に時間がかかってしまう。そこで、本発明では、一回の撮像において順次光切断線を複数引く方法を取った。その場合、通常に狭ピッチで光切断線を引いたのでは切断線が重なり合ってしまう。例えば高さ０．１２ｍｍの半田を、角度４５度の投光で０．０５ｍｍのピッチでの光切断線を引きこれを撮像すると、撮像画面では光切断線は高さ方向に半分以上重なり合ってしまう。そこで、本発明では、光切断開始位置を狭ピッチに相当する距離ずらせながら光切断線が重ならない荒い等ピッチの光切断線を順次複数引いて撮像を行ない、このような撮像を複数回繰返し、狭ピッチで引かれた光切断線による高さデータを取得するようにしている。
【００１７】
図５はその一実施形態を示している。図５（Ａ）は一回目の撮像で、ｔ１のピッチ、例えば０．３ｍｍのピッチでライン光を投光し撮像視野内に３本の光切断線を順次引いて光切断を行い、これを撮像したものである。図５（Ｂ）は二回目の撮像で、同じｔ１の０．３ｍｍのピッチで光切断するが、一回目の撮像の光切断開始位置からｔ２の距離、例えば０．０５ｍｍずれた位置が二回目の光切断開始位置となる。この光切断開始位置から一回目の撮像時と同様に０．３ｍｍのピッチで３本の光切断線を引き撮像を行なう。図５（Ｃ）は三回目の撮像であり、同じく０．３ｍｍのピッチで光切断を行なうときの光切断開始位置は二回目の撮像の光切断開始位置から０．０５ｍｍずれた位置となる。
【００１８】
このように位置を０．０５ｍｍずらせながら６回撮像し、これらの画像データを二値化処理を行って重心を計算して高さデータを求め、高さデータを０．０５ｍｍピッチの順番で並び替えれば、０．０５ｍｍの狭ピッチでの光切断データが得られることになる。なお荒い光切断ピッチｔ１（０．３ｍｍ）は目的とする細かい光切断ピッチｔ２（０．０５ｍｍ）の整数倍となるようにする。すなわち０．３ｍｍ／０．０５ｍｍ＝６となり、本実施形態では視野内の光切断ピッチｔ１は、所望する光切断ピッチｔ２の６倍である。
【００１９】
次に二値化の方法であるが、各行毎に輝度の平均値と標準偏差を求め、標準偏差＋ｎ×標準偏差なるしきい値を設けて各行毎に二値化する。ここでｎは係数である。但し、二値化は一つの光切断線ごとに行う。一つの画面に複数の光切断線が引かれた状態で二値化を行うと前記係数ｎの値を固定できない。なぜなら一つの画面に引かれる光切断線の数は常に同じ数とは限らないからである。そこでおよその半田の高さは既知であるから光切断位置より１／２の高さの位置を求める。そして１／２の高さの位置を中心として荒い切断ピッチの幅（０．３ｍｍ）で、光切断位置情報と共に画像データを取出して二値化処理とその後の高さ計算処理を行う。これを光切断線毎に行う。一つの光切断線毎に高さ計算処理を行うので、係数ｎは固定することができる。従って、光切断ピッチごとに係数ｎを決めること無く、単一の係数ｎで任意の光切断ピッチを選択することが可能になる。
【００２０】
上述した実施形態では、光切断線としてライン光を用いたが、ガルバノミラー等を使用して、スポット光をライン光の長さに走査しても光切断線を形成することができる。その場合、スポット光はライン光を引いている間は連続点灯であり、次の光切断位置に移動中は消灯する。
【００２１】
なお、光切断を行う場合、リニアアクチュエータの動きはその動きを検出する位置情報センサが設けられているので、リニアアクチュェータを前進させてあるいは後退させて光切断線を引いても、光切断画像の撮像は可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、一つの撮像視野内に複数の光切断線を引いて撮像するので、一つの光切断線を引いて撮像するのに比較して測定時間を大幅に短縮することができる。また、本発明では、光切断開始位置を所望する光切断ピッチづつずらせて複数画像撮像し、その複数の画像データから高さデータを前記ずらせたピッチの順に配列することにより細かな所望の光切断ピッチの高さデータを得ることができるので、高い測定精度を得ることが可能になる。また、複数引かれた光切断線の中から各切断線毎に光切断位置データと共に画像データを切り出して二値化等の高さ計算処理を行うので、任意のピッチで光切断することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明による測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図２の側面図である。
【図４】光切断法で撮像したクリーム半田の画像を示す説明図である。
【図５】複数の光切断線を引き撮像する状態を説明した説明図である。
【符号の説明】
１ レーザダイオード
２ コリメートレンズ
３ フォーカシングレンズ
５ ラインジェネレータレンズ
６ ＣＣＤカメラ
７ 投光ユニット
９ ライン光
１１ 被測定物

Claims (4)

1. 光切断線の引かれた被測定物を撮像して光切断法に基づき被測定物を三次元測定する被測定物の測定方法において、
   光切断開始位置から光切断線が重ならない荒い第１のピッチで順次光切断線を引いて被測定物を撮像し、
   前記光切断開始位置から第１のピッチより狭い第２のピッチに相当する距離分だけ光切断開始位置をずらせ、そのずれた光切断開始位置から第１のピッチで順次光切断線を引いて被測定物を撮像し、
   前記光切断開始位置を順次ずらせて撮像することを複数回数行い、
   前記撮像された複数の画像から第１のピッチで引かれた複数の光切断線による高さデータを取得し、第２のピッチの順番で並べ替えて、第２の狭いピッチでの光切断データを得ると共に、
   前記撮像された画像から、光切断位置におよそ既知である被測定物の高さの１／２を加えた位置を中心として、前記第１のピッチに等しい幅で画像データを取出して、光切断線毎に二値化処理と高さ計算処理を行うことを特徴とする被測定物の測定方法。
2. 前記第１のピッチが第２のピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の被測定物の測定方法。
3. 光切断線の引かれた被測定物を撮像して光切断法に基づき被測定物を三次元測定する被測定物の測定装置において、
   光切断開始位置から光切断線が重ならない荒い第１のピッチで順次光切断線を引く手段と、
   前記光切断線が引かれた被測定物を撮像する手段とを設け、
   光切断開始位置から第１のピッチで順次光切断線を引いて被測定物を撮像し、
   前記光切断開始位置から第１のピッチより狭い第２のピッチに相当する距離分だけ光切断開始位置をずらせ、そのずれた光切断開始位置から第１のピッチで順次光切断線を引いて被測定物を撮像し、
   前記光切断開始位置を順次ずらせて撮像することを複数回数行い、
   前記撮像された複数の画像から第１のピッチで引かれた複数の光切断線による高さデータを取得し、第２のピッチの順番で並べ替えて、第２の狭いピッチでの光切断データを得ると共に、
   前記撮像された画像から、光切断位置におよそ既知である被測定物の高さの１／２を加えた位置を中心として、前記第１のピッチに等しい幅で画像データを取出して、光切断線毎に二値化処理と高さ計算処理を行うことを特徴とする被測定物の測定装置。
4. 前記第１のピッチが第２のピッチの整数倍であることを特徴とする請求項３に記載の被測定物の測定装置。

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