JP5226480B2 - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元形状測定装置に関し、特に、測定対象物の３次元形状の測定の際に格子イメージを分配し、分配された格子イメージをそれぞれ測定対象物の一方の側と他方の側とに交互に走査し、３次元形状の測定の際に発生する影領域を除去できる３次元形状測定装置に関する。

３次元形状測定装置に関する従来の技術は、米国特許ＵＳ４、７９４、５５０号(出願日:１９８６年１０月１５日、出願人:Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ Ｃｏｍｐａｎｙ)に記載されており、これを添付図面を用いて概略的に説明すると、次のようになる。

図１は、従来の３次元形状の測定装置の構成図である。図示のように、光源１から発する光が格子移動機構４により矢印「ａ」方向に移動される格子２とレンズ３とを介して測定対象物の表面９に格子イメージの周期「ｄ」を有する水平光線１ａが照射され、照射された光は角度１ｂで散乱され、レンズ５を介してイメージセンサ６を備えたカメラ７に入射され、サンプルイメージを取り込み、取り込まれたサンプルイメージは、コンピュータ８で処理し、測定対象物の表面３の３次元形状を算出して表示素子８ｂにより表示されるように構成される。ここで、キーボード８ａは、モアレ縞を測定するための様々な情報を入力するために使用される。

従来のモアレ縞を用いた３次元形状の測定の際に測定対象物の任意の位置に測定できない影領域が生じてしまい、測定対象物の３次元形状を精度よく測定できないという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、測定対象物の３次元形状の測定の際に格子イメージを分配し、測定対象物の一方の側と他方の側とにそれぞれ格子イメージをＮ回走査し、測定対象物により変形された格子イメージを取り込み、３次元形状を測定することにより、影領域を除去して３次元形状の測定精度をより改善できる３次元形状測定装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、投影部と３Ｄカメラとを一直線上に配置して３次元形状測定装置をコンパクトに構成できるようにすることを他の目的とする。

本発明の一実施形態によると、測定対象物を固定するワークステージと、光源、前記光源から照射された光を透過させる格子及び前記格子の格子イメージを前記測定対象物に結像させる投影レンズを含み、前記測定対象物に対して格子イメージを第１方向にＮ回入射した後、前記測定対象物に格子イメージを第２方向にＮ’回入射する投影部と（Ｎ及びＮ’は２以上の自然数）、結像レンズ及びカメラを含み、前記測定対象物によって反射される前記第１方向反射イメージ及び前記第２方向反射イメージを受信するイメージ取り込み装置と、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射イメージ及び前記第２方向反射イメージを用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出する制御部と、を含む３次元測定装置が提供される。
前記制御部は、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射イメージ及び前記第２方向反射イメージを用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出するようにしてもよい。
前記イメージ取り込み装置をＸ、Ｙ及びＺ軸方向に移動させるイメージ取り込み装置移動装置をさらに含むようにしてもよい。
前記ワークステージは、前記測定対象物を固定する第１ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記測定対象物の大きさによって移動するように設置される第２ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記第２ガイドを移動させるガイド移動装置と、を含むようにしてもよい。
前記投影部は、前記格子の移動を制御する格子移動装置をさらに含むようにしてもよい。
前記投影部は、前記格子移動装置によって前記格子が移動する時、前記測定対象物に前記格子イメージを照射するようにしてもよい。
前記投影部の格子は、液晶格子であってもよい。
前記格子移動装置は、PZTアクチュエータであってもよい。
前記ＮとＮ’は、同じ値であるようにしてもよい。

本発明の一実施形態によると、測定対象物を固定するワークステージと、光源、前記光源から照射された光を透過させる格子及び前記格子の格子イメージを前記測定対象物に結像させる投影レンズを含み、前記測定対象物に対して格子イメージを第１方向にＮ回入射した後、前記測定対象物に格子イメージを第２方向にＮ’回入射する投影部と（Ｎ及びＮ’は２以上の自然数）、結像レンズ及びカメラを含み、前記測定対象物によって反射する第１方向反射イメージ及び第２方向反射イメージを受信するイメージ取り込み装置と、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射イメージ及び前記第２方向反射イメージを用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出する制御部と、を含み、前記制御部は基準面を用いて前記イメージ取り込み装置の焦点距離を設定することを特徴とする３次元測定装置が提供される。
前記制御部は、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射イメージ及び前記第２方向反射イメージを用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出するようにしてもよい。
前記ワークステージは、前記測定対象物を固定する第１ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記測定対象物の大きさによって移動するように設置される第２ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記第２ガイドを移動させるガイド移動装置と、を含むようにしてもよい。
前記投影部は、前記格子の移動を制御する格子移動装置をさらに含むようにしてもよい。
前記投影部は、前記格子移動装置によって前記格子が移動する時、前記測定対象物に前記格子イメージを照射するようにしてもよい。
前記投影部の格子は、液晶格子であってもよい。
前記ＮとＮ’は、同じ値であるようにしてもよい。
前記基準面は、前記ワークステージによって支持されるようにしてもよい。
前記イメージ引出し部は、前記基準面に光を入射するための基準面光源をさらに含むようにしてもよい。
前記基準面光源は、レーザポインタであってもよい。
前記第１方向と前記第２方向は、互いに対称であるようにしてもよい。
また、本発明の一実施形態によると、測定対象物を固定するワークステージと、光源、前記光源から照射された光を測定対象物に対して第１方向に入射した後、前記光を前記測定対象物に第２方向に入射する光入射部と、前記測定対象物によって反射される第１方向反射光及び第２方向反射光を受信するカメラを含むイメージ取り込み装置と、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射光及び前記第２方向反射光を用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出する制御部と、を含み、前記制御部は前記ワークステージに支持される基準面と前記イメージ引き出し部との距離を測定して前記測定対象部と前記イメージ引き出し部との距離を一定に維持することを特徴とする３次元測定装置が提供される。
前記制御部は、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射光及び前記第２方向反射光を用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出するようにしてもよい。
前記光入射部は、前記測定対象物に対して前記第１方向にＮ回光を入射し、前記第２方向にＮ’回光を入射する（Ｎ及びＮ’は２以上の自然数）ようにしてもよい。
前記基準面に光を入射する発光装置をさらに含むようにしてもよい。

本発明の３次元形状測定装置は、測定対象物の一方の側と他方の側とにそれぞれ格子イメージをＮ回ずつ走査し、測定対象物により変形された格子イメージを得ることにより、影領域と飽和領域とを一方の側と他方の側とでそれぞれ得られた位相値を用いて除去することにより、より精度よい３次元形状を測定することができ、投影部、分配器及び結像部を垂直方向に一直線上に配置することにより、イメージ取り込み装置をよりコンパクトに構成できるという効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。

図２は、本発明の３次元形状測定装置の全体構成を示す斜視図である。図示のように、ベース部材３０の上側にワークステージ２０が設けられる。ワークステージ２０の上側にはＸＹＺ軸移動装置１０が設けられる。Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向に自由に移動され、測定対象物(１００；図３参照)の３次元形状を測定するために、ＸＹＺ軸移動装置１０にイメージ取り込み装置４０が設けられる。そして、イメージ取り込み装置４０と、ワークステージ２０と、ＸＹＺ軸移動装置１０とを全般的に制御するために、ベース部材３０の一方の側に制御部(５０；図３参照)が設けられる。

ＸＹＺ軸移動装置１０は、イメージ取り込み装置４０をＸ、Ｙ及びＺ軸にそれぞれ移動させるためにリニアモータとボールスクリューとの何れかが適用される。測定対象物１００を測定位置に移動させるワークステージ２０は、図２から図４に示すように、第１のガイド２１と、第２のガイド２２と、ガイド移動装置２３とから構成される。

第１のガイド２１はベース部材３０に固定されるように設けられ、一方の側に所定の基準面が設定される。このような基準面は、イメージ取り込み装置４０が光を受信できるように、第１のガイド２１の上側の適切な任意の位置に設定されたり、ベース部材３０の任意の位置に設定される。第２のガイド２２は、第１のガイド２１を基準として測定対象物１００の大きさに応じて移動されるように設けられる。第２のガイド２２を移動させるために、第１のガイド２１と第２のガイド２２とそれぞれ直交するようにガイド移動装置２３が設けられる。ガイド移動装置２３には、モータ２３ａを備えたボールスクリュー２３ｂが適用され、第１のガイド２１と第２のガイド２２との内側には、測定対象物１００を移動させるためのモータ２４ａとベルト２４ｂとがそれぞれ設けられる。

制御部５０は、測定対象物１００を測定するために、先ず、測定対象物１００とイメージ取り込み装置４０との間の焦点が正確であるかを点検する。このために、制御部５０は、発光装置４８によってワークステージ２０の一方の側に設定された所定の基準面に対し、所定の波長を有する光を発生する。発光装置４８は、イメージ取り込み装置４０の一方の側に設けられている。すなわち、イメージ取り込み装置４０をＹ軸方向から見ると、発光装置４８は正面に見える。

発光装置４８は、所定の波長を有する光を発生するためにレーザポインタ(laser pointer)が使用される。測定対象物１００を測定する前に、制御部５０は発光装置４８で発生
した光を基準面に入射させ、反射される光イメージをイメージ取り込み装置４０を介して受信して、基準面とイメージ取り込み装置４０との垂直距離を算出し、その結果によってＸＹＺ軸移動装置１０を制御することによってイメージ取り込み装置４０のＺ軸方向の距離を調整する。これにより、制御部５０は測定対象物１００とイメージ取り込み装置４０との焦点距離を一定に保つ。

測定対象物１００とイメージ取り込み装置４０との間の焦点距離が一定に保たれると、制御部５０は、イメージ取り込み装置４０を制御して測定対象物１００の３次元形状を測定する。このために、先ず、制御部５０は、ＸＹＺ軸移動装置１０を制御してイメージ取り込み装置４０をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動させ、ワークステージ２０に支持され固定された測定対象物１００に移動させる。移動が終了すると、イメージ取り込み装置４０は、測定対象物１００の一方の側に格子イメージをＮ回走査して、測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込み、交互に測定対象物の他方の側にＮ回走査して、測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込む。

イメージ取り込み装置４０で測定対象物１００の一方の側と他方の側とに交互にＮ回走査され取り込まれた変形された格子イメージを制御部５０でそれぞれ受信して測定対象物１００の３次元形状を算出する。ここで、制御部５０は、イメージ取り込み装置４０を制御して測定対象物１００の一方の側と他方の側とにそれぞれＮ回ずつ交互に格子イメージを走査した後、それぞれに対する変形された格子イメージを受信し、測定対象物１００の３次元形状を測定することにより、影領域を除去してより精度よい３次元形状を得る。

測定対象物１００の一方の側と他方の側とに交互にＮ回ずつ格子イメージを走査し、変形された格子イメージを取り込むイメージ取り込み装置４０の構成を添付の図３及び図４を用いてより詳しく説明すると、次のようになる。

図３に示すイメージ取り込み装置４０をＹ軸方向から正面に見るときのイメージ取り込み装置の構成図であり、図４に示すイメージ取り込み装置４０をＸ軸方向から正面に見るときのイメージ取り込み装置の構成図である。図示のように、イメージ取り込み装置４０は、投影部４１、投影部４１の垂直方向の下側に分配器(distributor)４４が設けられ、
分配器４４の垂直方向の下側に結像部４５がそれぞれ設けられて、一点鎖線で示すイメージ取り込み装置のアウターケース４０ａのようにコンパクトに構成してもよい。

投影部４１は、光を発生する光源４１ａと、光源から発生した光を入射されるように光源４１ａの下側に設けられ、格子移動装置４１ｃにより移動される回折格子４１ｂを介して格子イメージを生成させ、回折格子４１ｂの下側に設けられた投影光学系４１ｄを介して透過させる。投影部４１の投影光学系４１ｄを介して透過される格子イメージは、分配器４４に伝達される。ここで、回折格子４１ｂは、液晶回折格子が適用できるし、格子移動装置４１ｄは、ＰＺＴアクチュエータ(Piezoelectric Actuator)が適用できる。

分配器４４は、投影部４１の投影光学系４１ｄの下側に設けられる。分配器４４は、格子イメージ分配ミラー４２を介してミラー移動装置により伝達され、投影光学系４１ｄから入射される格子イメージを分配する。格子イメージ分配ミラー４２は、第１及び第２のミラー４２ａ、４２ｂを有している。分配器４４は、第１及び第２のミラーの左右側にそれぞれ水平となるように設けられた第３のミラー４４ａ及び第４のミラー４４ｃにそれぞれ透過し、その後、第３のミラー４４ａと第４のミラー４４ｃとのそれぞれの下側に設けられた第１のフィルタ４４ｂと第２のフィルタ４４ｄとにより格子イメージをフィルタリングする。そして分配器４４は、測定対象物１００の一方の側と他方の側とに交互にそれぞれＮ回ずつ格子イメージを走査する。

測定対象物１００に走査された格子イメージは、測定対象物１００により変形された格子イメージを形成し、この変形された格子イメージを結像部４５で受信する。結像部４５は、分配器４４の下部に設けられ、分配器４４の第１のフィルタ４４ｂと第２のフィルタ４４ｄとを介して透過され、測定対象物１００の一方の側と他方の側とにそれぞれＮ回走査され形成される変形された格子イメージを、それぞれ結像ミラー４５ａを介して水平方向に反射させ、結像レンズ４５ｂと結像素子４５ｃとを介してカメラ４５ｄで取り込む。ここで、カメラ４５ｄは、測定対象物１００の変形された格子イメージをそれぞれ２×Ｎ個のフレームで取り込んで制御部５０に転送する。

制御部５０は、転送されたそれぞれの変形された格子イメージを用いて測定対象物１００の一方の側と他方の側とから得られた変形された格子イメージを用いて位相値を得ることにより、影領域と飽和領域とを得られた位相値を用いて除去して、より精度よい３次元形状を測定することが可能となる。

測定対象物１００の精度よい３次元映像を得るために、格子イメージを分配する格子イメージ分配ミラー４２においては、図５に示すように、第１のミラー４２ａと第２のミラー４２ｂとのそれぞれ傾斜したミラー面の中心線が互いに交差するように接合して形成される。第１のミラー４２ａにより測定対象物１００の一方の側にＮ回格子イメージを走査し、ミラー移動装置４３によりＹ軸方向に移動され、第２のミラー４２ｂにより測定対象物１００の他方の側にＮ回の格子イメージを分配して走査する。

格子イメージ分配ミラー４２の実施例では、図６及び図７に示すように、それぞれの傾斜面に第１のミラー４６ａと第２のミラー４６ｂとが設けられた三角ミラー４６を適用してもよいし、第１のミラー４６ａにより第３のミラー４４ａ及び第１のフィルタ４４ｂを介して格子イメージを測定対象物(１００；図３参照)の一方の側にＮ回走査した後、ミラー移動装置４３によりＸ軸方向に移動され、第２のミラー４６ｂにより格子イメージを分配し、分配された格子イメージを第４のミラー４４ｃと第２のフィルタ４４ｄとを介して測定対象物１００の他方の側にＮ回交互に走査する。

このような格子イメージ分配ミラー４２のさらに他の実施例では、図８及び図９に示すように、回転ミラー４７ａを適用してもよいし、回転ミラー４７ａにより格子イメージを第３のミラー４４ａと第１のフィルタ４４ｂとを介して測定対象物１００の一方の側にＮ回走査し、その後、図８に示すように、ガルバノミラーメータ(Galvano mirror meter；
４７ｂ、図９参照)のような回転機構により所定の角度で回転され、格子イメージを第４
のミラー４４ｃと第２のフィルタ４４ｄとで分配し、測定対象物１００の他方の側にＮ回走査する。ここで、格子イメージ分配ミラー４２を移動させる直線運動機構であるミラー移動装置４２ａは、エアーシリンダー、リニアモータ、及びボールスクリューの何れかが適用され、回転ミラー４７ａを回転させるための回転機構としての回転装置４７ｂは、ガルバノミラーメータが使用される。

以上のように測定対象物の３次元形状の測定の際に測定対象物の一方の側と他方の側とにそれぞれ格子イメージをＮ回ずつ走査し、測定対象物により変形された格子イメージを得ることで影領域と飽和領域とを一方の側と他方の側とでそれぞれ得られた位相値を用いて除去することにより、より精度よい３次元形状を測定することが可能となる。

本発明による３次元形状測定装置は、印刷回路基板のはんだ部分に対する良好または不良を判別する際に、はんだ部分を３次元で測定し、測定された結果によってはんだ部分の良好または不良を判別する産業分野に適用できるという技術的効果がある。

従来の３次元形状測定装置の構成図である。 本発明の３次元形状測定装置の全体構成を示す斜視図である。 図２に示すイメージ取り込み装置の構成図である。 図２に示すイメージ取り込み装置の構成図である。 図３に示す分配器の拡大斜視図である。 図３に示す分配器の実施例を示す図である。 図３に示す分配器の実施例を示す図である。 図３に示す分配器の他の実施例を示す図である。 図３に示す分配器の他の実施例を示す図である。

Claims (7)

1. ベース部材と、
   前記ベース部材上に配置されて、前記ベース部材に固定されて基準面が設定された第１ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記測定対象物の大きさによって移動するように設置される第２ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記第２ガイドを移動させるガイド移動装置とを含み、測定対象物を固定するワークステージと、
   光源、前記光源から照射された光を透過させる格子及び前記格子の格子イメージを前記測定対象物に結像させる投影レンズを含み、前記測定対象物に対して格子イメージを第１方向にＮ回入射した後、前記測定対象物に対して格子イメージを第２方向にＮ回入射する投影部と（Ｎは２以上の自然数）、
   結像レンズ及びカメラを含み、前記測定対象物によって反射する第１方向反射イメージ及び第２方向反射イメージを受信するイメージ取り込み装置と、
   前記基準面を用いて前記イメージ取り込み装置の焦点距離を設定し、前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射イメージ及び前記第２方向反射イメージを用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出する制御部と、
   前記基準面に光を入射するための基準面光源と、
   を含み、
   前記制御部は、前記基準面光源から前記基準面に入射されて反射された光を受信し、前記基準面と前記イメージ取り込み装置との間の距離を測定することにより、前記測定対象物と前記イメージ取り込み装置との間の焦点距離を一定に保つことを特徴とする３次元測定装置。
2. 前記投影部は、前記格子の移動を制御する格子移動装置をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の３次元測定装置。
3. 前記投影部は、前記格子移動装置によって前記格子が移動する時、前記測定対象物に前記格子イメージを照射することを特徴とする請求項２記載の３次元測定装置。
4. 前記投影部の格子は、液晶格子であることを特徴とする請求項１記載の３次元測定装置。
5. 前記基準面光源は、レーザポインタであることを特徴とする請求項１記載の３次元測定装置。
6. 基準面が設定された第１ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記測定対象物の大きさによって移動するように設置される第２ガイドと、前記第１ガイドを基準にして前記第２ガイドを移動させるガイド移動装置とを含み、測定対象物を固定するワークステージと、
   光源、前記光源から照射された光を測定対象物に対して第１方向に入射した後、前記光を前記測定対象物に対して第２方向に入射する光入射部と、
   前記測定対象物によって反射される第１方向反射光及び第２方向反射光を受信するカメラを含むイメージ取り込み装置と、
   前記イメージ取り込み装置に受信された前記第１方向反射光及び前記第２方向反射光を用いて前記測定対象物の影領域を補償して前記測定対象物の３次元状態を算出する制御部と、
   前記基準面に光を入射するための基準面光源と、
   を含み、
   前記制御部は、前記基準面光源から前記基準面に入射されて反射された光を受信し、前記基準面と前記イメージ取り込み装置との間の距離を測定することにより、前記測定対象物と前記イメージ取り込み装置との間の焦点距離を一定に保つことを特徴とする３次元測定装置。
7. 前記光入射部は、前記測定対象物に対して前記第１方向にＮ回光を入射し、前記第２方向にＮ回光を入射する（Ｎは２以上の自然数）ことを特徴とする請求項６記載の３次元測定装置。
   

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