JP5481484B2 - ３次元物体を２次元平面画像に光学的に変換する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に自動マシンビジョンシステムに関する。

自動マシンビジョンシステムにおいて、３次元物体とその表面を正確に撮像し、かつ検査する際に困難に遭遇していた。これは、一部には、物体の特性や光軸から離れた物体上の距離を歪ませる典型的なレンズの使用に起因している。このことは、検査面が光軸に垂直でないときにさらに複雑化する。検査するのが特に困難な面が、円筒形物体の周方向面である。多くの従来技術では、円筒形物体の近くのカメラを回転、またはその代わりに物体の対称軸の周囲で物体を回転させて、全面が見えるようにし、その複数画像を撮像することを要求している。

従って、３次元物体面を効率的かつ正確に撮像し、光軸に対し３６０度にわたって正確な２次元または平面画像を提供することは有利であろう。

３次元物体面を２次元平面画像に光学的に変換するのに用いられる撮像装置の実施形態を開示する。新規な撮像装置の一例としては、光軸を有する画像撮像装置が挙げられる。この撮像装置は、光軸の近くに配置された同心円状ミラー、３次元物体、およびミラーの方向に向けられた光源をさらに備えている。ミラーは、反射物体検査面上に照明光を投射し、画像撮像装置方向に画像を反射する。画像撮像装置は、３６０度にわたって撮像した３次元検査面を物体検査面の２次元平面画像に変換する。そして、平面連続性の狂い(deviations)または他の表面マーカーおよび／または欠陥がないか２次元平面画像を検査する。

本発明の一実施例において、テレセントリックフィールドレンズが、光軸と平行かほぼ平行なミラーに照明光を照射する光源と、ミラーとの間に配置されている。

本発明の別の実施例において、光源は光軸に沿って配置され、物体検査面の暗視野照明または明視野照明の少なくとも１つを用いて、物体検査面上のある条件の平面画像のコントラストを最大にする。また、別の実施例において、変換装置は狭角暗視野照明を用いる。

新規な変換装置の応用例において、物体は垂直周方向検査面を有する３次元円柱状物体である。

3次元物体面を２次元平面画像に光学的に変換する方法を開示する。１つの方法として、画像撮像装置の光軸に沿って３次元物体を位置付けるものが挙げられる。この方法は、ミラーにより物体検査上に投射され、画像撮像装置方向に向けて反射された照明光を、光軸の近くに配置された同心円状ミラーと３次元物体に照射し、３６０度にわたる全検査面を２次元平面画像に変換するステップをさらに含む。

変換方法の一実施例において、テレセントリックフィールドレンズが光軸に沿って位置し、光源とミラーの間に配置されている。

変換方法の別の実施例において、暗視野照明または明視野照明の少なくともいずれか１つが用いられ、反射画像光が、選択的に画像撮像装置に到達できる。

新規な変換方法の一応用において、物体は垂直検査面を有する３次元円柱である。

これらと本発明の他の新規な実施形態の詳細と実施例を以下に説明する。

ここでは、添付図面を参照して説明を行い、複数図面にわたって同一参照符号は同一部分を示す。

円柱状物体と検査面と共に用いた新規な装置の一実施例の概略部分断面図であり、画像光を概略的に示す。

例示的な照明光と画像光を部分的に示している、図１に示す新規な変換装置の一実施例の概略部分断面図である。

図１に示す物体を撮像した平面画像の一実施例の拡大概略図である。

本発明の一実施形態による方法の一実施例のフローチャートである。

図１から図４について説明する。本発明の装置と方法の実施例を示す。図１，２において、光軸１６を有する画像撮像装置１４を備える光学装置１０を概略的に示す。画像撮像装置１４は、コンピュータ１５および／またはドライバー、フレームグラバ(frame grabbers)、表示モニタ、ソフトウェアおよび／またはデータ記憶ライブラリ、および当業者に周知のその他の部品といった、他のマシンビジョンシステム部品と電気的やり取りを行っているＣＣＤ（電荷結合素子）カメラが好ましい。画像撮像装置１４は、特定用途に適したＣＣＤカメラ以外の装置を備えることもできる。図１に概略的に示すように、画像撮像装置１４は、用いる光学レンズに依存して画像光１８を受光する。これについては、以下に詳述する。

光学装置１０のこの実施例は、光軸１６に沿って配置された光源２０をさらに備えている。図示した光源２０は、回路基板２３上に搭載され、光軸１６の周囲にリング状に配置された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）２２であり、概略的に示すように、これは光円錐または照明光２４を生成する。テレセントリックフィールドレンズ２６と後述する後方レンズ群２８との間に光源２０が配置されている。本発明の趣旨から逸脱することなく、光軸１６に沿って光を放射するように、光学装置１０の別の位置に光源２０を配置してもよいことを理解されたい。

好適な実施例において、以下に述べるように、ＬＥＤ２２は、光軸１６の周囲の１つ以上の同心円状リング（図示せず）に配置され、以下に述べるように、物体検査面７０の狭角暗視野照明をするために、光軸１６に対し小さいまたは狭角で方向付けられ、物体検査棉７０を狭角暗視野照明する。狭角暗視野照明を行う光学系の一実施例が、本発明と同一譲受人に譲受された米国特許第６，８７０，９４９号に開示されており、ここでその全体を参照として援用する。本発明の趣旨から逸脱することなく、広角暗視野照明を用いて応用に適合させることもできる。光軸１６に沿わせずに光源２０を配置し、所望により、ミラーまたは他の装置を備え、物体または検査面に照明光２４を向けて照射してもよい。

ＬＥＤ以外の光源または光軸１６に対して狭角で配置された光源を用いて、所望の検査工程や検査対象物体面の画像の明暗コントラストなどの特定用途に適合させてもよい。例えば、光源２０を装備配置して、検査面の明視野照明を行ってもよい。明視野照射の一実施例の説明が、本発明と同一譲受人に譲受された米国特許第５，７３７，１２２号に開示されており、ここでその全体を参照として援用する。

さらに図１，２について説明する。光学装置１０の一実施例は、光軸１６に沿って配置されたレンズ２６をさらに備えている。レンズ２６は、図１，２に示し、米国特許第６，８７０，９４９号に記載されているように配置された後方レンズ群２８をさらに備えてもよい。好適な一実施例において、レンズ２６は、光軸１６の中心に沿って配置され、光源２０からの主照明光２４を受光するテレセントリックレンズである。テレセントリックフィールドレンズ２６は、一般に示すように、後方レンズ群２８と、テレセントリックストップ３０をさらに備え、テレセントリックレンズ系を構成してもよい。テレセントリックフィールドレンズ２６は、図２から最も良く分かるように、レンズ２６通過後の光軸１６にほぼ平行に斜主照明光２４を変換または集束する。図２から最も良く分かるように、光源２０から照明光を照射したとき、例示的なテレセントリックフィールドレンズ２６と後方レンズ群２８が動作して、画像光１８を用いて、画像撮像面14上に画像を形成する。テレセントリックレンズとして示したが、ミラーまたはその他の形態またはレンズおよび／またはミラーの組み合わせを用いて、所望の照明形態、および以下に説明する結果として得られた画像のコントラスト要件などの特定用途に適合させてもよい。

上述したように、例示的なテレセントリックフィールドレンズ２６を備えた光学装置１０の一実施例は、光源２０回路基板２３に隣接して配置されたテレセントリックストップ３０をさらに備えてもよい。テレセントリックストップ３０と回路基板２３は、以下にさらに詳述するように、画像光１８と選択された照明光２４を回路基板２３およびテレセントリックストップ３０を通過させる開口３４を好適に備えている。別の構成要素として示したが、別のテレセントリックストップ３０を必要としないように、適切な開口３４を備えるよう回路基板２３を構成してもよい。その代わりに、ＬＥＤ２２に電源を供給するように、ストップ３０にＬＥＤ２２を固定してもよい。

図１，２に断面で概略的に示すように、例示的な光学装置１０は、取付具４２とミラー５０を支持する支持構造４０をさらに備えている。支持構造４０は、典型的なマシンビジョンシステムにおいて何らかの物体支持面であってもよく、静止でも、光軸１６の周囲で回転可能なことを含む任意の数の方向に移動可能であってもよい。本発明の一実施例において、支持構造４０は、移動可能でも回転可能でもない。

本実施例において、ミラー５０は、光軸１６の周囲の第1の径の開口５２と、第1の径の開口５２よりも小さいミラー基部５５の第２の径の開口５４とを有する円錐状ミラーである。基部５５と第1の径の開口５２とで、光軸１６に沿ったミラー５０の高さ５６を規定している。好適ではあるが必要不可欠ではない態様において、第1の径の開口５２は、画像撮像装置１４の視野内または視界内に入っている。ミラー５０は、第1の径の開口５２と第２の径の開口５４の間に角度を成して配置された反射面５８を備えている。反射面５８は、検査工程または検査対象面の感度に適切な高度に磨かれた低歪面である。一実施例において、ミラー５０は、ダイヤモンド旋削して、ほぼ欠陥のない、高度な反射面５８が形成されたアルミニウムから製造されている。別の材料としては、無電解ニッケルコーティングおよび／またはその他の材料、およびここで教示された当業者が選択可能なコーティングが挙げられる。

検査対象物体面が、光軸１６に対し垂直および／または平行である場合、光軸１６に対し４５度で反射面５８を配置するのが望ましい。反射面５８の別の角度とミラー５０の形状寸法を用いて、特定用途や検査要件に適合させてもよいことを理解されたい。

図１，２に示すように、円柱状物体６０として形成された例示的な３次元物体は、取付具４２と支持構造４０の上に配置されている。物体６０の周囲に３６０度にわたってミラー５０を同心円状に配置して、物体６０は、光軸１６と一列に好適に配置されている。一実施例において、物体６０は、対象または光軸１６と平行で高さ７２を有する検査面７０を備えている。物体６０は、光軸１６に沿って配置された第1の非検査面７４と第２の非検査面８０とをさらに備えている。図示するように、面７０，７４，８０は、光軸１６の周囲で直径が異なっている。例示的な物体６０と面７０，７４，８０は、物体６０と光軸１６の周囲で３６０度にわたり取り囲んで突き出ている。一実施例において、検査面７０は、光学装置７０により面連続性、面欠陥および／または他のしるしまたは兆候(markers or indicia)が検査される高度に磨かれた実質的に鏡状面である。物体６０は、図示したように、円筒形物体６０以外のプリズム形状または形状寸法を取ってもよいことを理解されたい。物体６０および／または検査面７０幾何学形状が、円柱状の実施例から変化した別の実施例において、検査面７０および／または物体６０の照明が、物体６０から画像撮像装置１４への画像光１８の伝播により平面画像を生成するように、ミラー５０と反射面５８も変化するだろう。同様に、取付具４２も物体６０と所望の撮像工程に適切な別の形状と寸法を取り得る。

本実施例において、ミラー５０、より詳しくは反射面５８の高さ５６は、以下にさらに詳述するように、検査面７０の全高７２の画像を撮像するように、検査面７０の高さ７２を超えている。

動作時、図１，２に示し、上述したように、画像撮像装置１４が配置されて作動される。光源２０が作動されてテレセントリックフィールドレンズ２６方向に向けてＬＥＤ２２から照明光２４を照射する。テレセントリックフィールドレンズ２６は、斜主照明光２４を光軸１６にほぼ平行かつ支持部４０に垂直に変換する。すなわち、テレセントリックフィールドレンズ２６は、集光レンズの一例である。テレセントリックフィールドレンズ２６は、さらにミラー５０と円筒形物体６０方向に照明光２４を向ける。

光軸１６にほぼ平行なミラー反射面５８に入射する照明光２４は、円錐状ミラー５０により直角に全３６０度にわたる検査面７０に方向を変える。実質的に鏡状の検査面７０は、検査面７０の全長７２にわたり、検査面７０に対し同じ垂直方向に反射面５８に画像光１８を反射する。画像光１８は反射面５８により反射され、テレセントリックレンズ２６を通して光源２０および画像撮像装置１４に向かう。

図２に示し、米国特許第６，８７０，９４９号にさらに記載されているように、狭暗視野照明形態の照明の一実施例において、テレセントリックストップ３０は、光軸１６の中心に好適に位置する小さな開口３４を備えている。本実施例において、後方レンズ群２８を通過して、画像撮像装置１４に達することができないように、どの戻り画像光２４もテレセントリックストップ３０により遮断される。図２に示す照明方式を用いた一実施例において、もし何の表面不規則性も存在しなければ、検査面７０は実質的に黒く撮像される。検出された表面不連続性が存在する場合、画像光１８は、反射面５６に反射するため、画像撮像面１４方向に斜角で反射される。このうちのあるものは、テレセントリックストップ開口３４を通過し、結果として得られた画像に明るい点として、または以下に述べる光学画像９０の他の暗い領域上の領域として現れる。上述したように、照明、レンズ、および／またはミラーのその他の形状および／または位置を光学装置１０で用いて、本発明の趣旨から逸脱することなく、ここで教示された当業者により特定用途に適合し得る。

図３について説明する。図１，２に示す３次元物体６０の例示的な結果として得られた２次元平面画像９０を示す。狭暗視野照明を用いて物体６０の平面画像９０が生成される。図示するように、第２の非検査面８０の一直線の垂直面は、単に円８１として示されている。第１の径５２の近くの同心円状反射面５８により最小限に覆われる、第1の非検査面７４の部分が、事実上、暗視野照明により画像９０の外側部分の方向の明るい領域７５として現れる。実際の概観が、明るいか暗いかは、面７４の特性（仕上げまたは角度）による。取付具４２と画像撮像装置１４の視野内にある支持面４０は、例えば、比較的暗い領域４３（図示目的のみで適度に陰影を施した）として現れ、その結果、取付具４２の縁が線または領域６１（図示目的でのみ破線で示す）として現れることになる。もし取付具４２と支持面４０が、検査面７０のように高度に磨かれている場合、これらの領域は、例示的な照明下では黒く現れる。換言すれば、取付具４２と支持面４０に用いられる特定の表面処理または工程は、選択した照明方式下で、これらの面が光学画像にどのように現れるか示している。

画像９０の領域７１は、３６０度にわたる３次元円筒形検査面７０の２次元平面画像を示す。図２の狭暗視野照明下では、面７０で反射した戻り画像光１８が、ストップ３０によりほとんど遮断されるため、この領域７１は、黒く現れ（図３に図示目的だけで示すように、ほとんど完全な黒として陰影を付けて示した）、画像撮像装置１４で可視の暗い領域だけが残る。光学装置１０の特定の感度内で完全に暗い領域は、適切または欠陥がない面を示している。もし局所的な明るい点が現れる場合、これらは、半導体ウェハ上で用いられる「ソフト」識別マークなどの、欠陥またはその他の表面不連続性を含む可能性のある領域であろう。例えば、物体６０の他の領域の検査が必要である場合、第２の非検査面８０とミラー５０を再構成および／または再配置できるだろうから、反射面５８は、面７０の代わりにその面に対して画像と照明光を向けることを理解されたい。

光学装置１０の有利な特徴は、画像撮像装置１４または支持構造４０および／または物体６０を支持する取付具４２を回転させずに、３６０度にわたる検査面７０の単一画像である点にある。さらなる利点は、共平面性と、テレセントリックレンズ２６の画像光１８と円筒形物体６０が光学的にマップされる平面の間の正規直交関係にある。

光学装置１０の一実施例において、１つ以上の照明形態または照明装置を狭暗視野照明以外、あるいはそれに加えて用いてもよい。例えば、従来の暗視野照明および／または明視野照明部品も用いてもよく、より徹底した検査工程のために、連続的に用いて異なる９０の光学画像を生成してもよい。例えば、ある欠陥または物体面しるし(markers)は、狭暗視野照明を用いて特定できないが、明視野照明を用いれば容易に特定できる。

図１〜４について説明する。３次元面を２次元平面画像に光学的に変換する例示的方法１００を示す。図４について説明すると、第1のステップ１１０において、上述したように、画像捕捉または画像撮像装置１４には、ＣＣＤカメラまたはその他の装置が設けられている。物体、例えば、３次元円柱６０は、ステップ１２０で、取付具４２上の光軸に沿って軸方向に配置されている。形成され、物体の所望の検査面７０に対し同心円状に方向付けられた同心円状のミラー５０は、ステップ１３０で、光軸１６の周囲に配置されている。好適ではあるが任意のステップ１４０は、上述し図示したように、テレセントリックフィールドレンズ２６と後方レンズ群２８を配置する。その代わりに、他のレンズも用いてもよい。上記のステップ１５０で述べたように、例示的なテレセントリックレンズ２６を用いて、ミラー５０の反射面５８を照明するように光源２０が設けられている。ステップ１６０で、画像撮像装置１４の視野内の画像が撮像されて、画像撮像装置１４、支持構造４０、取付具４２および／または物体６０を回転させずに、物体６０の２次元、平面画像９０、および、特に３６０度にわたる検査面７０が形成されることになる。検査面７０に対応する部位である、結果として得られた画像領域７１は、任意の数の周知の画像解析技術を用いて、コンピュータ１５により欠陥、識別マーカー、または他の目的の他の特徴を解析し得る。

上述したように、狭暗視野照明以外の異なる照明形態、並びに異なる形状に形成および構成されたレンズとミラーを用いて、特定用途、物体６０の特定検査面上の欠陥または他のしるしまたは兆候を検出するのに要求される感度に適合させてもよい、なお、それ自身は、説明し図示した円筒形物体以外の他の形状寸法であってもよいだろう。

ある実施形態に関して本発明を説明したが、本発明は説明した実施形態に限定されず、むしろ、添付したクレームの範囲内に包含される各種変更例および等価な構成を網羅することを意図している。このクレームの範囲は、法により許された上記の全ての変更例と等価な構成を含むように最も広い解釈に一致する。

Claims (5)

1. ３次元物体面を２次元平面画像に光学的に変換するのに用いられる撮像装置であって、
   光軸に沿って配置された３次元物体の２次元光学画像を撮像する画像撮像装置と、
   斜照明光を前記物体方向に方向付けるリング状光源と、
   前記光源と前記物体との間に配置されるテレセントリックフィールドレンズであって該テレセントリックフィールドレンズを通過する前記斜照明光を該テレセントリックフィールドレンズ通過後の前記光軸と実質的に平行な照明光にするテレセントリックフィールドレンズと、
   前記画像撮像装置と前記リング状光源との間に配置された後方レンズ群と、
   前記後方レンズ群と前記テレセントリックフィールドレンズとの間の前記リング状光源に隣接して配置されたテレセントリックストップと、
   同心状に形成され、前記物体の回りの前記光軸の周囲に配置され、前記物体の検査面の方向に前記テレセントリックフィールドレンズからの前記平行な照明光を方向付け、前記検査面からの反射画像光を前記テレセントリックフィールドレンズに通過させて前記画像撮像装置に向けて該反射画像光の方向を変えるように方向付けられたミラーと
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記３次元物体が、円筒状であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 同心円状の前記ミラーが、前記ミラーの高さと反射面を規定する、第1の径と前記第１の径よりも小さい第２の径とを有する前記光軸の周囲に円錐形に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 同心円状の前記ミラーの高さが、少なくとも前記光軸に沿った前記検査面の高さと同じであることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記ミラーの反射面が前記光軸に対して４５度の角度で配置され、前記検査面が前記光軸に対し平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。

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