JP5482411B2 - 立体形状測定装置、検査装置及び立体形状測定用調整方法 - Google Patents

立体形状測定装置、検査装置及び立体形状測定用調整方法 Download PDF

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本発明は、例えば回路基板などの検査を行うのに適用して好適な、立体形状の検査や測定を行う立体形状測定装置、及びその立体形状測定装置を適用した検査装置、並びに立体形状測定装置や検査装置に適用される立体形状測定用調整方法に関する。
従来、回路基板などの被検査物の形状を検査する検査装置として、その回路基板をビデオカメラなどの撮影装置で撮影した静止画像を画像解析して、検査するものが普及している。
この場合、例えば基板を平面的に撮影した静止画像を1枚、取得することで、平面的な形状、つまり二次元(2D)の検査が行える。また、被検査物に格子縞を投光した上で、その格子縞の投光位置の位相を変化させながら、複数枚の撮影を行って、その複数枚の静止画像を画像解析することで、立体形状、つまり三次元(3D)の検査が行える。この三次元形状検査は、位相シフト法と称される。
この位相シフト法による三次元検査を行うためには、格子縞の投光位置の位相を正確に制御する必要がある。即ち、格子縞の1配置間隔(1ピッチ)に相当する距離(位相)を2πとし、移動前の状態を原点としたとき、格子縞を原点から(1/2)π,π(3/2)πに相当する距離だけ移動させた状態と、原点の状態との4つの状態で、静止画像を撮影する。
そして、そのそれぞれの格子縞の位相の静止画像を画像解析して、被写体(被測定物)の立体形状を測定する。位相シフト法による三次元検査を行うための装置構成例については、後述する実施の形態で説明する。
このような三次元検査は、例えば回路基板にクリーム状の半田を塗布したときの塗布状態が正しい状態か否か検査することに適用できる。即ち、平面的に半田の塗布状態を見たのでは、必要な領域に正しく塗布されているように見えても、立体的に見た場合には、半田が塗布された厚さが不十分である可能性があり、三次元形状検査を行うことで、正しいか否か的確に検査が行える。
特許文献1には、被検査物に格子縞を投光した上で、その格子縞の投光位置の位相を変化させて、立体形状を測定する位相シフト法を適用した測定装置の例についての記載がある。
特開2006−227652号公報
ところで、位相シフト法を適用して立体形状を測定する上では、被検査物に投光させる格子縞を、原点位置から正確に(1/2)π,π(3/2)πの位相に相当する距離だけ移動させる必要がある。即ち、格子縞は、一定間隔で格子縞が形成されたスリットを用意して、そのスリットを駆動手段で駆動して、格子縞の投光位置を上述した位相量に相当する分だけ移動させる構成としてある。ここで、格子縞の移動量を原点位置から正確に(1/2)π,π(3/2)πの位相に相当する距離だけ移動させるが、比較的微小な移動量であり、正確に移動させるためには、事前に装置のスリットをスライドさせる機構のキャリブレーション調整が必要である。あるいは、格子縞スリットの位置を検出するための高精度な検出機構を設けて、その検出機構で高精度に検出しながら、スリットを駆動させる必要がある。このスリット駆動系の精度には、スリットそのものをスライドさせる機構の精度以外に、スリット上の格子縞の精度や、光学系全体の精度も影響し、簡単には調整できない問題があった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、位相シフト法を適用して測定する装置で格子縞の位置調整が容易に行えるようにして、立体形状を測定や検査する際の精度を向上させることを目的とする。
本発明は、格子縞スリットを、平行な縞の配置間隔に相当する距離と、その配置間隔に相当する距離に所定の値を加算させた距離又は減算させた距離だけ、駆動部で原点位置から移動させる。そして、それぞれの移動位置で撮影した複数枚の格子縞の画像と、原点位置で撮影した格子縞の画像とを比較し、その比較結果に基づいて、格子縞スリットを格子縞の1配置間隔分だけ駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量を判断する。その判断に基づいて、被測定物の立体形状を測定するのに必要な駆動信号の駆動量を設定する。
このようにしたことで、複数枚の格子縞の画像を撮影するだけで、格子縞スリットを移動させる際の正確な駆動量が判る。即ち、判断した1配置間隔の駆動量を基準として、必要な格子縞スリットの駆動位相での駆動量を得ることで、各位相位置となるように正確に格子縞スリットを駆動できるようになる。従って、正確な格子縞スリットの位置設定が可能になり、正確な立体形状の測定や検査が行える。
本発明によると、格子縞スリットの位置を検出や計測するための専用の機構を必要としない簡単な構成で、正確に格子縞スリットを必要な位相量だけ駆動でき、簡単な構成で正確な立体形状の測定や検査が行える効果を有する。
本発明の一実施の形態による装置全体の構成例を示す原理図である。 本発明の一実施の形態による装置構成例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態による格子縞の位相変化例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態による格子縞の光強度変化例を示す特性図である。 本発明の一実施の形態による調整処理例を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態による調整用撮影時の駆動例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態による検出状態の例を示す特性図である。
以下の順序で、本発明の一実施の形態の例を説明する。
1.装置構成の説明(図1,図2)
2.格子縞の説明(図3,図4)
3.調整処理の説明(図5〜図7)
[1.装置構成の説明]
図1及び図2を参照して、本実施の形態の例の立体形状測定装置を説明する。本実施の形態の例の立体形状測定装置は、回路基板に半田を塗布した状態を検査する検査装置として構成してある。
図1及び図2に示すように、検査装置は、被検査物を載せるテーブル10を備え、そのテーブル10に載せられた被測定物(被検査物)である基板20を、撮影部であるカメラ30で撮影する。テーブル10の真上に配置されたカメラ30には、撮像レンズ部31が取り付けてあり、テーブル10上の基板20を撮影する。図2に示すように、撮像レンズ部31の周囲には、上段照明部32と下段照明部33とが配置してあり、被検査物を照明しながらカメラ30で撮影する。下段照明部33は、円形の開口部33aを備え、その開口部33a内に被検査物である基板20が配置されるようにしてある。
図1に示すように、カメラ30で撮影して得た静止画像データは、画像メモリ13に記憶させる。記憶された静止画像データを制御部11の制御で読み出して、画像解析部14で形状を測定する。この例では検査装置として構成してあり、予め登録された基板20の状態と一致するかどうか画像解析部14での解析処理で判断して、その判断結果を、制御部11が出力する。
図1では、制御部11で得られた判断結果を、表示部16に供給して表示させる構成としてある。また、判断結果を外部に出力させて、製造ラインの管理用のコンピュータ装置などに伝える構成としてもよい。また、制御部11には操作部17が接続してあり、操作部17の操作により、各種調整などが行える。
この装置で検査を行う際には、基板20の平面形状を検査する2D検査と、基板20の立体形状を検査する3D検査の双方が可能である。
2D検査を行う場合には、被検査物である基板20の検査領域を、カメラ30で撮影して、1枚の静止画像データを得ることで検査が行える。
3D検査を行う場合には、被検査物である基板20の検査領域を、カメラ30で撮影するが、後述する格子縞スリット46で格子縞を基板20に投影した状態で、その格子縞の位相を変えて、4枚の静止画像データを得る。格子縞の位相を変える処理については後述する。そして、その4枚の静止画像データを画像解析して、基板20の検査領域の立体形状を判断する。判断結果は制御部11が取得する。
次に、3D検査を行う場合に必要な格子縞の投影構成について説明する。
図2に示すように、3D用投影部40がテーブル10の斜め上に配置してあり、その3D用投影部40から格子縞を投影する。
図1を参照して、格子縞を投影する構成について説明すると、投光機41からの光を、投影レンズ42を介して、被検査物である基板20の表面に斜めから照射する。このとき、投光機41と投影レンズ42との間に、格子縞スリット46を配置してある。
格子縞スリット46には、一定間隔(ピッチ)で格子縞が平行に形成させてあり、投光機41からの光を投影させることで、その格子縞が被検査物である基板20の表面に投影される。
格子縞スリット46は、スライドテーブル45により、投光機41からの光の光軸と直交する方向にスライド可能に配置してある。このスライドする方向は、格子縞スリット46上の格子縞が平行に並んだ方向へのスライドでもある。
図1に示したように、スライドテーブル45は、ネジ取り付け部45aがボールネジ44に取り付けてある。ボールネジ44は、モータ43により回転する構成としてあり、モータ43によるボールネジ44の回転で、スライドテーブル45が平行移動する構成としてある。本実施の形態の場合には、モータ43として、パルスモータを使用してあり、駆動パルス発生部12から駆動パルスが供給されることで、そのパルス数に相当した量だけボールネジ44を回転駆動させる。従って、モータ43に供給するパルス数と、スライドテーブル45の平行移動量とには相関関係があり、モータ43に供給するパルス数で、スライド量を制御できる。
なお、図1に示すように、投影レンズ42と格子縞スリット46とで形成される角度αと、投影レンズ42と被検査物(基板20)とで形成される角度βとは、シャインプルーフの原理を利用した角度としてある。即ち、シャインプルーフの原理を利用した角度とすることで、斜めから角度を持って投影される格子縞が、基板20上のどの位置でもフォーカスが合った状態となるようにしてある。
[2.格子縞の説明]
次に、図3及び図4を参照して、格子縞スリット46に形成された格子縞の構成と、その格子縞の使用例について説明する。
図3は、格子縞の一部を拡大して示した図であり、(1/2)πずつ位相をシフトさせた状態を並べて示してある。図3の例では、左右方向に各縞が配置してあり、上下方向に一定の間隔で平行に縞が並んでいる。
モータ43によるスライドテーブル45の駆動で、上下方向に格子縞の位置がシフトする。
このような格子縞が形成されていることで、この格子縞が投影された画像を撮影した場合、格子縞が並んだ方向で見た光強度の変化は、図4に示した状態となる。即ち、図4に示した光強度の変化特性Lは、スリット46の縞の白色の部分で最も強い強度の箇所L1となり、スリット46の縞の黒色の部分で最も弱い強度の箇所L2となり、一定周期で変化する曲線の特性となっている。
図3では、図3の左端の位相0を原点としたとき、その位置から縞の1周期(1ピッチ)だけシフトした位置を2π位相がシフトした位置としてある。立体形状を測定する3D検査時には、次の4状態の格子縞を投影した状態の静止画像を得る。即ち、位相0の原点の状態と、1周期の1/4だけシフトした(1/2)π位相シフトした状態と、1周期の1/2だけシフトしたπ位相シフトした状態と、1周期の3/4だけシフトした(3/4)π位相シフトした状態との4状態を設定する。そして、1/4位相ずつ順にシフトした、それぞれの状態の格子縞が投影された状態の被検査物を、個別に撮影する。従って、3D検査時には、同一検査領域を4回、カメラ30で撮影することになる。
また、後述するように、格子縞をシフトさせる量を調整するキャリブレーション時には、図3の左端に示した位相0の原点状態と、図3の右端に示した2π位相がシフトした状態とを設定する。但し、2π位相がシフトした状態は、その状態の位置の近傍を複数設定して、調整を行う。その調整処理の詳細は後述する。
[3.調整処理の説明]
次に、図5〜図7を参照して、格子縞スリット46の位置をシフトさせるためのキャリブレーション時の処理例について説明する。
このキャリブレーション処理は、例えば検査装置の製造時又は設置時などの、実際に使用する前の段階で、少なくとも1回行う。また、検査装置の使用開始後であっても、必要なときやユーザ操作で指示があった場合にも、このキャリブレーション処理を随時行うようにしてもよい。
図5のフローチャートは、キャリブレーション処理の流れを示したもので、制御部11の制御で実行される。なお、このキャリブレーション処理時のカメラ30での撮影時には、被検査物は載せない状態でよく、格子縞の白い部分と黒い部分が明確に区別できて撮影されればよい。
図5に従って説明すると、まず、格子縞スリット46を原点位置(位相0)として、カメラ30で撮影して、1枚の静止画データを得、画像メモリ13に記憶させる(ステップS11)。
そして、格子縞スリット46の格子縞の1周期分(位相2π)だけシフトさせるように、制御部11は駆動パルス発生部12に指示を送り、該当するシフト量だけシフトさせる駆動処理を行う(ステップS12)。このシフトさせた状態でもカメラ30で撮影して、1枚の静止画データを得、画像メモリ13に記憶させる(ステップS13)。その後、制御部11は、シフトさせた状態で規定された枚数の撮影を行ったか否か判断する判断処理を行う(ステップS14)。ここでの規定の枚数とは、例えば5枚とする。この判断で規定枚数撮影していない場合には、モータ43の駆動パルスを発生させて、スライドテーブル45及び格子縞スリット46をスライドさせ(ステップS15)、ステップS13の撮影処理に戻る。このステップS15でのスライド時には、ここまで撮影したときの位置とは若干シフトした位置を設定する。
そして、ステップS14で規定枚数撮影したと判断した場合には、制御部11は、画像メモリ13に記憶された原点位置(位相0)の画像と、各シフト位置で撮影した5枚の画像とを比較する(ステップS16)。その比較で、原点位置の画像と最も近い画像を判断する判断処理を行う(ステップS17)。
制御部11は、その判断で得られた原点位置の画像と最も近い画像が、位相2πだけ正確にシフトした状態での画像と判定する。その判定した画像を撮影した際のモータの駆動パルス数を判断し、その駆動パルス数を、位相2π移動させる際の調整されたパルス数とし、そのパルス数の1/4のパルス数をメモリ15に記憶させる(ステップS18)。
そして、実際に3D検査を行うために、格子縞を(1/4)πずつシフトさせて撮影を行う際には、その格子縞を(1/4)πずつシフトさせる際のパルスモータ43に供給するパルス数を、メモリ15に記憶させたパルス数とする。
図6は、図5のフローチャートで、ステップS13での撮影と、ステップS15での格子縞スリット46をシフトさせる処理を複数回繰り返すときの、モータ43の駆動例を示したものである。
この例では、例えば初期状態では、モータ43に供給するパルス数が2000パルスであるとき、格子縞の1周期分だけ、格子縞スリット46がシフトするものとする。このとき、2000パルスに対して50パルス間隔で±100パルスの供給によるシフト位置を設定して撮影する。即ち、1900パルス、1950パルス、2000パルス、2050パルス、2100パルスの位置を設定する。
図6の駆動例の流れは、この状態を示したもので、まず原点位置で撮影をした後、駆動パルスを2000パルス供給したシフト位置で撮影し、その後、逆方向に2000パルス供給して、原点位置に戻す。
次に、駆動パルスを1950パルス供給したシフト位置で撮影し、その後、逆方向に1950パルス供給して、原点位置に戻す。
次に、駆動パルスを1900パルス供給したシフト位置で撮影し、その後、逆方向に1900パルス供給して、原点位置に戻す。
次に、駆動パルスを2050パルス供給したシフト位置で撮影し、その後、逆方向に2050パルス供給して、原点位置に戻す。
次に、駆動パルスを2100パルス供給したシフト位置で撮影し、その後、逆方向に2100パルス供給して、原点位置に戻す。
このように、それぞれのシフト位置で撮影を行った後、原点位置に戻してから、新たなシフト位置に移動させて、駆動時の誤差が蓄積しないようにして、正確な測定が行えるようにしてある。
図7は、このようにして複数回撮影して得た画像と、原点位置の画像とを比較した場合の、一致度を示した図である。図7において、横軸はモータ43に供給するパルス数を示し、縦軸は誤差数であり、誤差数が少ない程、原点位置の画像と一致していることを示す。
例えば、この例では、パルス数1950のときに、誤差数が最も少なくなり、それよりも少ないパルス数(1900)の場合の画像や、それよりも多いパルス数(2000,2050,2100)の場合の画像には、誤差数が多くなっている。
このとき、パルス数1950を、格子縞スリット46を位相2πだけシフトする際の駆動パルス数として確定し、そのパルス数1950の1/4のパルス数(488)を、(1/4)πシフトさせるパルス数に設定してメモリ15に記憶させる。
そして、実際に3D検査を行う際に格子縞スリット46を(1/4)πずつシフトさせる際には、その記憶されたパルス数ずつモータ43に供給して、シフトさせる。
このようにしてキャリブレーション処理を行うことで、検査装置が持つカメラ30で撮影した画像を処理するだけで、正確なキャリブレーション処理が可能になる。従って、格子縞スリット46のシフト位置を検出するための計測手段を検査装置が持つ必要がなく、簡単な構成で正確な格子縞スリットのシフト処理が行え、簡単な構成で3D検査時の測定精度が向上する。
なお、図5のフローチャートに示した処理では、約2πシフトさせた状態で、設定された駆動パルス数に対して、シフト量を増やした状態で2回と、シフト量を減らした状態で2回の、合計5回の撮影を行うようにした。そして、その5回の撮影画像の中から、原点の画像と誤差量が最も少ないものを、2πシフトさせた状態と検出するようにした。
これに対して、例えば図7に示したような、各シフト位置での画像の誤差数の変化のカーブを求め、そのカーブで最も誤差量が少なくなる位置を算出して、より正確なパルス数を算出するようにしてもよい。
具体的には、例えば図7に示した例の場合、5枚の画像を比較した場合には、パルス数1950でシフトさせた画像が、最も誤差数が少なくなっている。ここで、各画像の誤差数を結んだ曲線を図7のように算出して、パルス数1960のときが、最も誤差数が少なくなると算出された場合に、パルス数1960を、シフト量2πの駆動パルス数として決定する。このような算出処理を行うことで、より正確な駆動パルス数が得られる。
なお、このような算出処理で、最も誤差数が少なくなると思われるパルス数が得られた場合には、実際にそのパルス数で駆動させて、算出した誤差数に近い状態になるかどうか確かめた上で、確定させるようにしてもよい。
また、算出で誤差数が少ない位置を求めるのではなく、例えばパルス数1950とパルス数2000のときが、誤差数が少ないと判断したときに、その間のパルス数1975で駆動させて測定するようにして、正確なパルス数を実測で得るようにしてもよい。
また、上述した5回などの決められた回数のシフト位置の設定で、得られた誤差数が、2πのシフト量に対応した誤差数でないと思われる場合には、パルス数をより増加又はより減少させて、再度、撮影を行って、誤差数が減るシフト位置を探すようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、格子縞スリットを駆動させる駆動部として、パルスモータを備えた駆動部としたが、その他の駆動部として構成してもよい。例えば、一定の電圧信号の印加で回転駆動されるモータを使用してもよい。この場合には、駆動用の電圧信号を印加する時間を、パルス数の代わりに調整することになる。
また、電圧の印加で撓む圧電素子(ピエゾ素子など)を使用して、格子縞スリットを移動させる駆動部とし、その圧電素子に印加する電圧値の調整を、同様の処理で行うようにしてもよい。即ち、電圧値と圧電素子の撓みによる移動位置とが直線的に比例している場合には、格子縞の1ピッチに相当する電圧値を判断して、その1ピッチの電圧値の1/4の電圧値,1/2の電圧値,3/4の電圧値を、3D用の各位相の電圧値とすればよい。電圧値と移動位置との関係が直線的でない場合には、補正テーブルなどを使って補正すればよい。
また、上述した実施の形態では、回路基板を検査する検査装置に適用したが、格子縞を使った位相シフト法により立体形状を測定する立体形状測定装置であれば、その他の用途の装置に適用してもよい。
また、図1や図2に示した装置形状は、好適な一例であり、同様の原理で測定や検査を行う装置であれば、その他の形状であってもよい。
10…テーブル、11…制御部、12…駆動パルス発生部、13…画像メモリ、14…画像解析部、15…メモリ、16…表示部、17…操作部、20…基板(被検査物)、30…カメラ、31…撮像レンズ部、32…上段照明部、33…下段照明部、33a…開口部、40…3D用投影部、41…投光機、41a…投影光出力部、42…投影レンズ、43…モータ、44…ボールネジ、45…スライドテーブル、45a…ネジ取り付け部、46…格子縞スリット

Claims (6)

  1. 光源からの光を被測定物に投光する光路に配置され、所定間隔で平行な縞を有する格子縞スリットと、
    前記平行な縞が配置された方向に、前記格子縞スリットを移動させる駆動部と、
    前記格子縞スリットを通過した前記光源からの光が投光された前記被測定物を撮影する撮影部と、
    前記格子縞スリットを平行な縞の配置間隔に相当する距離と、その配置間隔に相当する距離に所定の値を加算させた距離又は減算させた距離だけ、前記駆動部で原点位置から移動させて、それぞれの移動位置で前記撮影部が撮影した複数枚の格子縞の画像と、前記原点位置で前記撮影部が撮影した格子縞の画像とを比較し、その比較結果に基づいて、前記格子縞スリットを格子縞の1配置間隔分だけ前記駆動部で駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量を判断し、その判断に基づいて、前記被測定物の立体形状を測定するのに必要な駆動信号の駆動量を判定する制御部とを備えた
    立体形状測定装置。
  2. それぞれの移動位置で前記撮影部が撮影した複数枚の格子縞の画像と、前記原点位置で前記撮影部が撮影した格子縞の画像とを比較する処理は、画像の一致度が最も高い画像を選び、その選んだ画像の撮影時の前記格子縞スリットの駆動量を、前記格子縞スリットを格子縞の1配置間隔分だけ前記駆動部で駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量とする
    請求項1記載の立体形状測定装置。
  3. 前記格子縞スリットを格子縞の1配置間隔を2πとしたとき、前記被測定物の立体形状を測定するのに必要な駆動信号の駆動量は、前記格子縞スリットを(1/2)πだけ移動させる駆動量と、前記格子縞スリットをπだけ移動させる駆動量と、前記格子縞スリットを(3/2)πだけ移動させる駆動量であり、
    それぞれの駆動量を、前記判断した、1配置間隔分だけ前記駆動部で駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量から得る
    請求項2記載の立体形状測定装置。
  4. 前記駆動部は、パルス信号の供給により駆動されるパルスモータであり、
    前記制御部は、前記格子縞スリットを格子縞の1配置間隔分だけ前記駆動部で駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量として、駆動させるのに必要なパルス数を判断する
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の立体形状測定装置。
  5. 光源からの光を被測定物に投光する光路に配置され、所定間隔で平行な縞を有する格子縞スリットと、
    前記平行な縞が配置された方向に、前記格子縞スリットを移動させる駆動部と、
    前記格子縞スリットを通過した前記光源からの光が投光された前記被測定物を撮影する撮影部と、
    前記格子縞スリットを平行な縞の配置間隔に相当する距離と、その配置間隔に相当する距離に所定の値を加算させた距離又は減算させた距離だけ、前記駆動部で原点位置から移動させて、それぞれの移動位置で前記撮影部が撮影した複数枚の格子縞の画像と、前記原点位置で前記撮影部が撮影した格子縞の画像とを比較し、その比較結果に基づいて、前記格子縞スリットを格子縞の1配置間隔分だけ前記駆動部で駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量を判断し、その判断に基づいて、前記被測定物の立体形状を測定するのに必要な駆動信号の駆動量を判定する制御部とを備えた
    検査装置。
  6. 所定間隔で平行な縞を有する格子縞スリットを、光源からの光を被測定物に投光する光路に配置した上で、前記平行な縞が配置された方向に、前記格子縞スリットを移動させる駆動処理と、
    前記格子縞スリットを通過した前記光源からの光が投光された前記被測定物を撮影する撮影処理と、
    前記格子縞スリットを平行な縞の配置間隔に相当する距離と、その配置間隔に相当する距離に所定の値を加算させた距離又は減算させた距離だけ、前記駆動処理で原点位置から移動させて、それぞれの移動位置で前記撮影処理により撮影した複数枚の格子縞の画像と、前記原点位置で前記撮影処理により撮影した格子縞の画像とを比較し、その比較結果に基づいて、前記格子縞スリットを格子縞の1配置間隔分だけ前記駆動処理で駆動させるのに必要な駆動信号の駆動量を判断する判断処理と、
    その判断に基づいて、前記被測定物の立体形状を測定するのに必要な駆動信号の駆動量を設定する設定処理とを行う
    立体形状測定用調整方法。
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