JP4611782B2 - 3次元形状測定方法及び測定装置 - Google Patents
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Description
従来から最も一般に用いられていた格子は、主として、一定の形状とピッチ(共に固定)をもった白黒の二値格子であった。そして、形状やピッチの異なる格子を数種類用意しておき、物体の凹凸度合いに応じてその複数の格子を選択して使用していた。
I(θ)=a(x,y)+b(x,y) cos{φ(x,y)+θ}
ここで、a:バイアス(明るさの平均値) b:明るさの変化の振幅
φ:基準面からの高さに相当する位相値 θ:操作可能な位相
φ(x,y)=arctan[{I(3π/2)−I(π/2)}/{I(0)−I(π)}]
格子ピッチが既知であるから、三角測量の原理を用いて、この位相情報φより高さZを算出することができる。
この3次元形状測定方法によれば、物体表面の反射率の分布や汚れに強く、コンピュータによる高速処理に適し、高分解能が期待できるなどの利点がある。
例えば、ICやLSIのような半導体集積回路パッケージの実装面に形成されたBGA(Ball Grid Array) の半田ボールやCSP(Chip Size Package) のバンプなどのように、平面上に規則的に配列された物体の高さを含む3次元形状を計測するような場合、格子パターンを投影したときに、物体の表面状態によっては隣接する物体からの反射光が対象とする物体に映り込む場合がある。
また、格子パターンをどのように投影しても正確な投影ができない形状(例えば、アリ溝形状のような上部が突き出ていて下部が引っ込んでいるような形状や、窪みの深い形状など)が明らかな場合には、画像を撮影しても不明確な画像データとなってしまう。
さらに、上記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアを、上記面上で上記特定の計測対象物体に対して上記格子パターンの格子配列方向及び/又は該方向に直交する方向でそれぞれ隣接する計測対象物体を含む所定エリアとするとなおよい。
また、上記投影部を、上記撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにするとよい。
さらに、格子パターンの格子配列方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアも、多重反射光を生起することが想定されるエリアに設定して格子パターンを投影しないようにマスクすれば、一層確実に多重反射の影響をなくすことができる。
図1は、この発明による3次元形状測定装置の第1の実施形態の概略構成を示す図である。この3次元形状測定装置は、複数の計測対象物体14が設けられた面である平面15に対して斜め方向から格子パターンLPを投影する投影部10と、その投影部10によって格子パターンLPが投影された面を格子パターンLPの投影方向とは異なる方向から撮像するCCDカメラやC−MOSカメラ等による撮像部16と、その撮像部16によって撮像した明暗のパターンを解析して計測対象物体14の3次元形状を測定するデータ処理部(パーソナルコンピュータ等の演算装置)17とを備えている。
そして、撮像部16によって撮像した明暗のパターンの二次元画像の強度をA/D変換して(アナログカメラを使用する場合)、画像メモリ19に一時記憶する。データ処理部17は、その画像メモリ19に一時記憶した二次元画像の強度データを三角測量の原理で解析し、計測対象物体14の3次元形状の測定値を算出する。
この実施例によれば、投影部10から投影する格子パターンLPの投影範囲を必要な部分のみに制限して、必要今計測しようとする特定の計測対象物体(図2では14A)の計測領域以外(マスクエリアMA)には投影しない。そのため、計測対象物体の凹凸の状態や要求される測定精度に応じた正確な3次元形状の計測を効率よく行うことができる。
液晶格子12は、第1のガラス基板121と第2のガラス基板122とがシール材114によって一定の間隔を置いて張り合わされ、その間隙にTN(ツイストネマティック)液晶123を封入している。第1のガラス基板121の内面にはその全面にITO等の透明導電膜による共通電極が形成され、それに対向する第2のガラス基板122の内面には、一定幅の多数のストライプ状(直線状)の格子電極126が僅かな間隔を置いて一定のピッチで、やはり透明導電膜で形成されている。
第1のガラス基板121の外側には第1の偏光板127が、第2のガラス基板122の外側には第2の偏光板128が、互いにその偏光軸を直交させるか又は平行にするように配設されている。
第1の偏光板127の偏光軸と第2の偏光板128の偏光軸とが直交している場合には、共通電極125と格子電極126との間に印加する電圧と透過率との関係が逆になる。
この液晶格子駆動制御部30はデータ処理部27によって制御され、投影する格子パターンの形、状強レベル、マスクする領域などの作成条件を、データ処理部27から位相シフト設定部31、格子強度設定部32、格子分割設定部33、およびマスクエリア設定部36に入力することによって、自在な形状と強度およびマスク領域をもった格子パターンを作成することができる。
以上によって、正弦波格子の作成とそれに位相シフトを与える条件の設定ができるが、この実施例ではさらにマスクエリア設定部36によって、格子パターンを投影しない(マスクする)領域の格子電極126を設定し、それには電圧を印加させないようにする。すなわち、その領域内の全ての格子電極126の強度データをゼロにする。
この液晶駆動信号作成部34によって作成された液晶駆動信号を液晶格子ドライバ35に入力し、液晶格子12の共通電極125と各格子電極に対して液晶駆動信号に応じた実効電圧を印加して、光源部からの照射光の透過率を2次元的に変化させて、一部のエリアがマスクされた正弦波格子パターンを発生させる。
図4の(a)は、平面15上に半球状の計測対象物体14Aと14Bが交互に列設(各列の計測対象物体14A又は14Bは紙面に垂直な方向に並んでいる)されている。計測対象物体14Aと14Bは殆どおなじ物体であるが、説明の便宜上符号を区別している。
そして、図1の撮像部16で撮像した二次元画像データのうちデータ処理部17で演算(解析)に使用する範囲(実質的な撮像・演算範囲)を、計測対象物体14Aの列を含む範囲WAと計測対象物体14Bの列を含む範囲WBの2つに分けて設定する。範囲WAと範囲WBとは交互になる。
なお、格子パターンを投影しないマスクエリアMAを設定するには、上述のように液晶格子を使用すれば容易に任意の領域に対して設定できるので好ましいが、それはこの発明による3次元形状測定方法を実施するために必須のことではなく、機械的な格子とマスク板とを組み合わせて実施することも可能である。予め決った形状及び配列の計測非対象物体を繰り返し測定するような場合には、それでも十分対応可能である。
図5は、この発明による3次元形状測定装置の第2の実施形態の要部のみを模式的に示す構成図であって、図1と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。図1に示したデータ処理部17、光源点灯制御部、液晶格子駆動制御部30、及び画像メモリ19も当然備えているが、図示を省略している。
この実施形態において、図1に示した第1の実施形態の3次元形状測定装置と相違するのは、投影部10が光源部11と2枚の液晶格子12X,12Yと投影レンズ13とによって構成されている点だけであり、その液晶格子12Xと液晶格子12Yとは、図3に示した格子電極126のストライプ方向が互いに直交するように配置されている。
そして、図8に示すように、多数の計測対象物体が平面上に2次元的に(縦横に)規則性をもって(この例では等間隔に)配列されている場合、その全体に縦列に沿う方向に延びる格子パターン(実際はその格子配列方向の明暗が正弦波状に変化する)を投影するか、図9に示すように、各計測対象物体14を縦横に1個置きに含む市松模様状に、格子パターンを投影する領域と投影しない領域(マスクエリアMA)を交互に形成する状態とを切り替えることができる。
この実施形態において、図5に示した第2の実施形態の3次元形状測定装置と相違するのは、投影部10における液晶格子を、ストライプ状格子電極を有する2枚の液晶格子12X,12Yに代えて、マトリクス状のドット電極を有する1枚の液晶格子12Dとした点だけである。
この3次形状測定装置は、撮影レンズ16aを備えた撮像部16の光軸16cを中心とする同一円周上の異なる位置(この例では180°離れた対向する位置)に、2個の投影部10A,10Bを、それぞれ光軸を撮像部16の光軸16cに対して反対側に同じ角度だけ傾けて設けている。
そして、2個の投影部10Aと10Bを任意に切り換えて使用することができ、いずれを使用するかによって、格子パターンの投影方向が変わることになる。
そこで、オペレータがそのような正反射が生じていることを認識したとき、あるいはデータ処理部が撮像された画像データを解析した結果が適性な値でなかった場合に、投影部を切り換えて、図12に示すように格子パターンの投影方向Pを変えることによって、撮像方向Qへの正反射をなくして、正常な計測ができるようにする。
また、1個の投影部を撮像部の光軸を中心とする同一円周上で回動させることができるようにしてもよい。
特に、ICやLSIのような半導体集積回路パッケージの実装面に形成されたBGAの半田ボールやCSPのバンプなどのように、平面上に規則的に配列された多数の物体の高さを含む3次元形状を計測するような場合に極めて有効である。
17:データ処理部(演算装置) 18:光源点灯制御部 19:画像メモリ
30:液晶格子駆動制御部 31:位相シフト設定部 32:格子強度設定部
33:格子分割設定部 34:液晶駆動信号作成部 35:液晶格子ドライバ
36:マスクエリア設定部 40:支持体
121:第1のガラス基板 122:第2のガラス基板 123:TN液晶
124:シール材 125:共通電極 126:格子電極 127:第1の偏光板
128:第2の偏光板
Claims (8)
- 複数の計測対象物体が2次元的に規則性を持って配列されている面に対して斜め方向から格子パターンを投影し、該格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の3次元形状を測定する3次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体に対して少なくとも前記投影する格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアには前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする3次元形状測定方法。 - 請求項1記載の3次元形状測定方法において、
前記格子パターンを投影する際に、前記面上の特定の計測対象物体に対して前記投影する格子パターンの格子配列方向に直交する方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアにも前記格子パターンを投影しないようにマスクすることを特徴とする3次元形状測定方法。 - 請求項1又は2に記載の3次元形状測定方法において、
前記投影する格子パターンは、液晶格子を使用して照度分布が正弦波状に変化するように形成されたパターンであり、1回の計測において該格子パターンを、前記正弦波状の変化の1周期の1/nずつ位相をずらしてn回(nは3以上の整数)投影することを特徴とする3次元形状測定方法。 - 複数の計測対象物体が設けられた面に対して斜め方向から格子パターンを投影する投影部と、該投影部によって格子パターンが投影された前記面を前記格子パターンの投影方向とは異なる方向から撮像する撮像部と、該撮像部によって撮像した明暗のパターンを解析して前記計測対象物体の3次元形状を測定するデータ処理部とを備えた3次元形状測定装置において、
前記投影部は、光源部と液晶格子と投影レンズとからなり、
前記光源部からの照射光に対する前記液晶格子の透過率を2次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、該格子パターンを前記面に投影することにより該面上の特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように、前記液晶格子を駆動制御する液晶格子駆動制御部を設けたことを特徴とする3次元形状測定装置。 - 請求項4記載の3次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記複数の計測対象物体が前記面上に2次元的に規則性を持って配列されている場合には、前記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、前記面上で前記特定の計測対象物体に対して少なくとも前記格子パターンの格子配列方向で隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように前記液晶格子を駆動制御することを特徴とする3次元形状測定装置。 - 請求項4記載の3次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記複数の計測対象物体が前記面上に2次元的に規則性を持って配列されている場合には、前記特定の計測対象物体に対して多重反射光を生起することが想定されるエリアとして、前記面上で前記特定の計測対象物体に対して前記格子パターンの格子配列方向および該方向に直交する方向でそれぞれ隣接する計測対象物体を含む所定エリアに対しては前記照射光の透過率を最低にするように前記液晶格子を駆動制御することを特徴とする3次元形状測定装置。 - 請求項4乃至6のいずれか一項に記載の3次元形状測定装置において、
前記液晶格子駆動制御部は、前記光源部からの照射光の照度分布が正弦波状に変化するように前記液晶格子の透過率を2次元的に変化させて格子パターンを生成させるとともに、1回の計測において該格子パターンを、前記正弦波状の変化の1周期の1/nずつ位相をずらしてn回(nは3以上の整数)投影するように、前記液晶格子を駆動制御する手段を有することを特徴とする3次元形状測定装置。 - 請求項4乃至7のいずれか一項に記載の3次元形状測定装置において、
前記投影部を、前記撮像部の光軸を中心とする同一円周上の異なる位置に複数個設け、その複数個の投影部を切り換えて使用できるようにしたことを特徴とする3次元形状測定装置。
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