JPH05180622A

JPH05180622A - 位置と姿勢の検出装置

Info

Publication number: JPH05180622A
Application number: JP4001322A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Tomita; 正道富田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【構成】装着ヘッド２内の吸着ノズル４の斜め上方に、
プリント回路基板３に対して角度θだけ傾けたレンズ系
１１と、レンズ系１１に対してさらに角度θ´だけ傾け
た撮像素子１４を共軸に設置してランドパターン６を結
像させる。電子部品５を基板３の上に装着する直前に検
出装置でランドパターン６の画像を撮影し、ヘッド２の
位置，姿勢を補正して装着する。【効果】ノズル４が装着位置の真上にある状態で、可動
部の無い検出装置でパターン６の画像を撮影し、その
後、ヘッド２が僅かな補正距離を移動するだけなので、
ヘッド搬送機構の精度の影響を小さくして、装着速度を
保ちつつ高い装着位置精度を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平面状の被写体の位置
またはその平面内での姿勢角を検出する装置の撮像光学
系に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に数cm以下の大きさの平面状
の被写体に関し、その平面内での２次元的位置や姿勢角
の検出を目的として被写体の画像を撮影する撮像装置に
おいては、（レーザビーム等を被写体面上に走査させる
場合を除き、）被写体上の注視点を通る平面の法線の方
向とレンズ系の光軸の方向とを一致させ、光軸の方向と
撮像素子面の法線の方向とを一致させた受光光学系が使
用され、その多くは顕微鏡系であった。勿論、この構成
を採る理由は、注視点を中心とする画像をその法線方向
から撮像すれば被写体の遠近効果に基づく画像の歪みに
よって位置，姿勢の測定結果に誤差を生じるおそれがな
いためである。

【０００３】レンズ系の光軸方向と撮像素子面の法線方
向とを一致させない例は、特開昭60−209105号公報に記
載のもの、及び特開昭61−169705号公報、特開昭61−26
2603号公報に記載のものがあった。

【０００４】これらの内、第１の例はビーム光を対象物
に照射してその対象物までの距離を三角測量の原理によ
って測定するための装置であり、対象物の画像を撮影す
るものではなかった。第２の例は未知の距離に存在する
被写体からの画像信号をレンズ系からの距離の異なる複
数のラインセンサで、順次、受光して、いずれかのライ
ンセンサで焦点のあった鮮明な画像を得るように構成し
たものであり、被写体の表面に相当する平面の法線方向
とレンズ系の光軸方向とは、概ね、一致していた。第３
の例は第２の例のラインセンサの代りに２次元センサを
使用したものであった。

【０００５】特に電子部品装着機において、プリント回
路基板（以下、基板と略称する）の表面に印刷されたラ
ンドパターンを被写体とする検出装置でも、やはり画像
の歪み防止のため光学系の光軸を平面の法線方向に合わ
せるのが望ましい。しかし、電子部品装着機では基板上
に電子部品を装着する直前の時点には、ランドパターン
の真上の位置に電子部品を吸着保持した吸着ノズルが置
かれており、真上からランドパターンを撮影することは
不可能であった。

【０００６】そこで、例えば、特開平2−124404 号公報
に記載のように、ともに基板面に垂直な、電子部品吸着
ノズルの軸と基板撮影用カメラの光軸とを、一定距離だ
け隔てて装着ヘッド上に設けた装置がある。以下、この
一定距離をオフセット距離と称す。この装置は、電子部
品を吸着した後、電子部品の位置と姿勢を撮像装置等の
何らかの測定手段により測定するとともに、上述と異な
る撮像装置または上述と同一の撮像装置の光軸がランド
パターンの想定位置の真上に来るように装着ヘッドを位
置決めして、撮像装置でランドパターンを撮像して画像
処理装置によって位置と姿勢を測定して、以上の２回の
測定結果に基づいてそれらの補正量を演算し、次に吸着
ノズルの軸をランドパターンの想定位置から補正距離だ
け離れた位置に向けて移動するとともに吸着ノズルを補
正角度だけ自転させて、電子部品をランドパターン上に
正しく装着するものであった。

【０００７】他方、オフセット距離を有しない別の構造
の電子部品装着機の例は、特開昭59−228787号公報に記
載のものがあった。これらは装着ヘッド内の電子部品の
真下、即ち、吸着ノズルの軸の延長上に直角プリズムの
直角を挟む２面または２個のプリズムの反射面を上記軸
に対し斜めに置き、基板上のランドパターンの上方に装
着ヘッドを位置決めして、光学部品を介してランドパタ
ーンの画像及び電子部品の画像をそれぞれ撮像装置に送
り、撮像装置で撮影し、画像処理装置によって各々の被
写体の特徴点（中心点等）の位置と姿勢を測定して、補
正量を演算し、反射面をもつ光学部品を退避させた後、
電子部品に位置と姿勢の補正を加えてから吸着ノズルを
下降させ、電子部品を基板上に装着するという動作を行
っていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】第４の従来例では、電
子部品とランドパターンを撮像し、位置と姿勢角の偏差
の補正量を演算した後、装着ヘッドを上記オフセットに
補正量を２次元ベクトル的に加えた量だけ移動して電子
部品を装着するという運転方法が必要とされる。即ち、
たとえ正確に２次元位置と姿勢角の偏差量を測定して適
正に補正できたとしても、装着位置の誤差には装着ヘッ
ドをオフセット距離だけ移動したときの搬送用ロボット
の真直度などの機構的絶対精度が含まれることになる。
このため最終的な装着精度は、搬送用ロボットの機構誤
差に検出誤差等を加えた値となり、低精度であった。

【０００９】第５の従来例では、オフセット距離を有し
ないため最終状態に極めて近い位置でランドパターンの
位置と姿勢とを検出して装着することができるから、第
４の従来例と比較して、たとえ装着ヘッド搬送用のロボ
ットの機構的絶対精度が低くとも、より高精度な装着動
作が可能となるという効果があった。

【００１０】しかし、この例でも検出装置内に可動式の
反射面を有する光学部品を含むので、その光学部品の位
置繰返し精度に応じて検出位置の繰返し精度は低下す
る。一方、光学部品の反射面の形状は、必要視野即ち装
着対象となる最大部品とランドパターンの外形寸法に応
じて大形化する。また装着の直前に光学部品を電子部品
やノズルと干渉しない位置まで退避させる動作の所要時
間は、装着対象となる最大部品の外形寸法が大きくなる
につれて長時間に及び、装置の高速動作を一層妨げるこ
とになる。大形化を避けようとすれば、プリズムを移動
して部分画像を複数回撮影する必要があり、撮影の総所
要時間はさらに長くなる。このため第５の従来例は、装
着速度への要求が比較的に少ない、大形で限定された形
状の電子部品のみを装着対象とする電子部品装着機に使
用されていた。

【００１１】本発明の目的は、被写体の正面以外の方向
から撮影して歪みの小さく位置・姿勢演算に適した画像
を入力できるような撮像光学系を有する、位置と姿勢の
検出装置を得ることにある。

【００１２】さらに、上述のランドパターン検出時の困
難を解消して、光学系に可動部分を含まず、またオフセ
ット距離を持たずに、画像を検出して装着位置及び姿勢
の正確な補正動作が可能な電子部品装着機を得ることに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、被写体と，レンズ系と，撮像素子とがシャ
インプルーフの結像条件（Scheimpflug condition)を満
たして、撮像素子面の全域にわたって結像するようにレ
ンズ系の光軸を被写体面及び撮像素子面と各々一定角度
だけ傾けて交差させて撮像光学系を構成し、被写体の画
像を斜め上方から撮影可能としたものである。ここにシ
ャインプルーフの条件とは、一般に光軸に垂直ではなく
傾斜した平面上にある物体と像との位置関係を定める条
件であり、以下の２項で示される。

【００１４】（１）物面（被写体面）とレンズ系の物
主面との交線と、像面（撮像素子面）とレンズ系の像主
面との交線とは、互いに平行で、光軸より等距離にあ
る。

【００１５】（２）物点（被写体上の点）と物主点を
結ぶ直線と、像点（撮像素子上の点）と像主点を結ぶ直
線とは互いに平行である（空気中において）。

【００１６】図２に示すように、物面Ａと物主面Ｈとの
交線をＢ、像面Ａ´と像主面Ｈ´との交線をＢ´とすれ
ば、ＢとＢ´とは互いに平行であり、かつ、主点Ｈ₀，
Ｈ₀´からの距離も相等しい。物面Ａ、像面Ａ´の光軸
との交点Ｐ₀，Ｐ₀´は互いに共やくな光軸上の物、像点
であり、Ｐ₀，Ｐ₀´における物、像面の法線と光軸とは
同一平面上に存在する。この平面による物，像面と物，
像主面の切口を図３で示せば、

【００１７】

【数１】

【００１８】である。レンズ系の焦点距離をｆとし、
物，像主点Ｈ₀，Ｈ₀´から光軸上の物，像点Ｐ₀，Ｐ₀´
までの距離をｚ₀，ｚ₀´とし、物，像面Ａ，Ａ´の法線
と光軸とのなす角をθ，θ´とすれば、

【００１９】

【数２】

【００２０】より、基準横倍率β₀を

【００２１】

【数３】

【００２２】とおくとき、光軸の傾角θ，θ´の条件は

【００２３】

【数４】

【００２４】と表される。

【００２５】本発明の結像光学系の構造は、この条件を
満たすように、レンズ系の光軸と被写体面の法線とのな
す角をθ、レンズ系の光軸と撮像素子面の法線とのなす
角をθ´に固定し、撮像光学系の射出瞳を像焦点の位置
に設け、物側テレセントリックな系とし、被写体の画像
を斜め上方から撮影可能としたものである。

【００２６】また、撮像光学系の内で撮像素子に対して
光軸の傾斜している部分を、物側及び像側テレセントリ
ックな系、即ち、望遠鏡系（アフォーカル系）として構
成したものである。

【００２７】また、基板の表面と、レンズ系と、撮像素
子とをシャインプルーフの条件を満たして結像するよう
に傾斜させて電子部品装着機の装着ヘッド内に撮像光学
系を構成し、基板面上のランドパターンの画像を撮影可
能としたものである。

【００２８】また、装着ヘッド内の上記撮像光学系の射
出瞳を像焦点の位置に設け、物側テレセントリックな系
としたものである。

【００２９】また、電子部品装着機の撮像光学系を望遠
鏡として構成したものである。

【００３０】また、電子部品装着機の撮像光学系に光路
合成用の光学素子を設け、単一の撮像素子上にランドパ
ターンの画像と電子部品の画像とを異なる光路に沿って
結像させ、さらに照明光路または画像光路の切り換え装
置（以下、シャッターと称する）を付加して、いずれか
の画像を選択的に撮影可能な構造としたものである。

【００３１】

【作用】図１により、本発明の装置の動作を説明する。

【００３２】レンズ系１１が、その光軸１２が基板３の
表面に印刷されたランドパターン６の仮想中心位置７
（図中のＯ）を通るように、被写体距離（第１共役距
離）ｚ₀だけ離れた位置に、この表面に対して角度θだ
け傾いた姿勢で置かれる。レンズ系１１の像主点Ｈ₀´
から第２共役距離ｚ₀´だけ離れた点Ｏ´に中心を置い
て、撮像素子１４をレンズ系１１の光軸１２に対して式
（４）で定めた角度θ´だけ傾けて固定する。ランドパ
ターンの仮想中心位置７における基板３の面の法線に関
して上記光軸１２と概ね線対称な軸１６の周りに照明光
源１７を置き、ランドパターン６を照射する。撮像素子
１４上にはランドパターン６の陽画像が結像する。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。

【００３４】図４は、本発明の検出装置を電子部品装着
機に適用した第１の実施例を示している。図５は、第１
実施例の検出装置を用いた電子部品装着機全体の斜視図
である。図４及び図５において、電子部品装着機のロボ
ット１に装着ヘッド２が搭載され、プリント回路基板３
の面に対して垂直な姿勢でノズル軸線方向に可動な吸着
ノズル４が装着ヘッド２に支持されている。図４では、
装着ヘッド２と、電子部品５を真空吸着した吸着ノズル
４とが、ランドパターン６の仮想中心位置７の真上に停
止した状態を描いている。装着ヘッド２には、吸着ノズ
ル４をノズル軸線方向に移動させて電子部品５の吸着動
作及び基板３上への装着動作を行わせる第１の駆動装置
８と、吸着ノズル４をノズル軸の周りに自転させること
により吸着された電子部品５の姿勢を変更させる第２の
駆動装置９とが設けられている。さらに装着ヘッド２に
は、吸着された電子部品５の画像と、基板面上のランド
パターン６の画像とを取り込む撮像光学系１０が固定さ
れている。

【００３５】撮像光学系１０の構造は以下の通りであ
る。吸着ノズル４の側方にある、物主面１３が基板面か
ら角度θだけ傾いたレンズ系１１がランドパターン６の
画像を取り込む。即ち、レンズ系１１の光軸１２とノズ
ル４の軸とがθの角度をなしてランドパターン６の中心
部で交わるように置かれている。レンズ系１１の上方に
は、撮像素子１４がレンズ系１１と共軸に、像主面１５
とθ´の角度をなして置かれている。図４は模式的に示
した斜視図であり、実際のθ、θ´は図示されたものよ
り小さい角度であり、式（４）のように設定されてい
る。但し、β₀ は基準横倍率である。撮像素子１４の中
心には、斜め下にあるランドパターン６の仮想中心位置
７の画像が結像する。本実施例では、レンズ系１１は望
遠鏡（望遠顕微鏡）を形成しており、合成焦点距離ｆが
無限大である。望遠鏡の型式は、例えば、逆ガリレイ型
とする。即ち、対物レンズ系Ｌ₁が凹レンズ(焦点距離ｆ
₁＜０)で、接眼レンズ系Ｌ₂が凸レンズ（焦点距離ｆ₂＞
０）で、

【００３６】

【数５】

【００３７】なる正立型とする。

【００３８】電子部品装着機には、（直交座標型の）ロ
ボット１や各駆動装置８，９、及び基板搬送装置等の図
示しないその他の構成部品を制御する制御装置１８が備
わっている。また、撮像素子１４を有する撮像装置１９
を制御するとともに、撮影された画像から被写体の位置
偏差と角度偏差の検出，補正距離の演算、並びに吸着異
常の有無判定等を実行する画像処理装置２０が備わって
いる。

【００３９】次に、本実施例の装置の動作を説明する。
まず、ロボット１の動作により装着ヘッド２が電子部品
供給装置２１の上方に移動し、吸着ノズル４が第２の駆
動装置９の動作により下降して、電子部品供給装置２１
の上に置かれた電子部品５を真空吸着する。次に、吸着
ノズル４が電子部品５を吸着したまま第２の駆動装置９
の動作により、所定の位置まで上昇するとともに、再
び、ロボット１の動作により装着ヘッド２が移動を開始
する。装着ヘッド２が移動している間に、電子部品用照
明２２が電子部品５に照射され、撮像光学系１０と撮像
装置２３が電子部品５の画像を撮影する。照明２２は、
部品の形状に応じて透過型又は反射型照明光源のうち適
切なものを設定する。

【００４０】電子部品５が基板３の表面上のランドパタ
ーン６の仮想中心位置７のほぼ上方に定められた、当初
の装着指令位置まで搬送され、位置決めされた時、図４
に示すように、反射型照明１７がランドパターン６に照
射され、撮像装置１９がランドパターン６の画像を撮影
する。

【００４１】画像処理装置２０は、撮影された電子部品
５の画像から吸着異常の有無判定をし、撮影された電子
部品５とランドパターン６との二つの画像から電子部品
５のランドパターン６に対する相対位置偏差と角度偏差
を検出し、補正ベクトルを演算する。制御装置１８は当
初の装着指令位置座標に補正ベクトルを加算して補正装
着指令位置座標を求める。吸着ノズル４が下降するとと
もに、ロボット１が上記補正装着指令位置まで位置修正
動作をして電子部品５をランドパターン６上に装着す
る。

【００４２】本実施例によれば、レンズ系の光軸が撮像
素子面の法線に対して傾斜した、いわゆる「あおりカメ
ラ」の構成となる。物，像面が光軸に垂直な場合（θ＝
θ´＝０）のＸ´,Ｙ´をＸ₀´,Ｙ₀´とし、焦点距離ｆ
と横倍率β₀ を用いると、あおりカメラにおける物、像
面上での座標系(Ｏ−Ｘ，Ｙ），(Ｏ´−Ｘ´，Ｙ´)間
の変換式は、

【００４３】

【数６】

【００４４】

【数７】

【００４５】

【数８】

【００４６】

【数９】

【００４７】

【数１０】

【００４８】と表せるが、レンズ系１１がアフォーカル
系であるから、その横倍率をβ（＝１／γ＝一定）とお
くとき、上式でｆを無限大とした場合に相当する座標変
換式が以下のように与えられる。

【００４９】

【数１１】

【００５０】

【数１２】

【００５１】Ｘ´は歪みを生じず、Ｙ´の項が係数Ｋの
変化を受けるのみとなる。

【００５２】したがって、光軸１２の傾きに起因する被
写体の遠近効果に伴う画像の梯形の歪み（Keystone dis
tortion)や「ぼけ」（撮像素子面内での合焦状態の不均
一）を発生させずに、吸着ノズル４が装着指令位置７の
真上にある状態で斜め上方からランドパターン６の画像
が撮影できる。しかも、撮像後に装着ヘッド２が僅かな
補正距離だけしか移動しないので、ロボット１の機構精
度などの絶対精度に起因する誤差成分が電子部品５の装
着精度に含まれず、装着位置精度が向上するという効果
がある。

【００５３】また、第５の従来例のような、電子部品５
とランドパターン６とを撮影する際に撮像光学系の一部
が吸着ノズル４の真下に移動する構造の装着ヘッドと比
較すると、装着ヘッド２内の光学系に可動部分が（位置
決め精度を要さないシャッターの他には）無いので、検
出の繰返し精度が向上する上に、装置の小型化，簡略
化，長寿命化が可能となる。更に吸着ノズル４の上下ス
トロークを短縮できるので、吸着ノズル４の上下移動に
伴って生じ、装着精度の低下要因ともなっていたノズル
移動機構の誤差をその分だけ減少させることができる。
さらに上下のストロークが短縮されることと、可動式検
出光学系に必要であった退避のための待ち時間が不要と
なることにより、従来構造よりも装着速度を向上でき
る。

【００５４】図６は本発明の検出装置を電子部品装着機
に適用した第２の実施例を示している。装着ヘッドに備
えられた撮像光学系２４の射出瞳２５を像焦点Ｆ´の位
置に設け、物側テレセントリックな系とする。

【００５５】本実施例によれば、被写体の遠近効果に伴
う画像の梯形の歪みは発生するものの、たとえランドパ
ターン６とレンズ系１１との間の距離（被写体距離）が
微小に変動する場合でも、ランドパターン６の画像を常
に一定の横倍率をもって撮影できる。なお画像の歪み
は、式（６）および式（７）の変換式の逆座標変換演算
を施して物面座標系（Ｏ−Ｘ，Ｙ）に復元することがで
きる。

【００５６】図７は本発明の検出装置を電子部品装着機
に適用した第３の実施例を示している。

【００５７】対物レンズ系Ｌ₁と接眼レンズ系Ｌ₂がとも
に凸レンズ（焦点距離ｆ₁＞０，ｆ₂＞０）をなす倒立型
の逆ケプラー型望遠鏡レンズ系２６の中にタンデム配置
の構造を設け、タンデム配置によって平行光束となる光
路部分２７に、光軸２８に対し斜めにハーフミラー２９
を置く。吸着されている電子部品５の像はハーフミラー
２９の反射面３０で反射してランドパターン６と同一の
光路３１へと導かれる。電子部品５またはランドパター
ン６を撮影するときは各々被写体に向けて照明２２，１
７が照射される。あるいは、照明２２と１７を常時点灯
させておき、両入射光路に各々シャッター３２，３３を
設けて制御装置１８により選択的に開閉しても良い。

【００５８】本実施例によれば、単一のレンズ系２６と
単一の撮像装置１９とで、電子部品５とランドパターン
６の両画像を順次撮影できる。したがって、外形寸法が
小さくて特に安価な検出装置を構成することが可能とな
る。また、光学系の内部には位置決め精度を要さないシ
ャッター３２，３３の他には可動部分が無いので、検出
の繰返し精度が向上する。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、装着ヘッドが装着指令
位置の真上にある状態でランドパターンの画像を撮影で
き、撮像後に装着ヘッドが僅かな補正距離だけしか移動
しないので、ロボットの機構精度などの絶対精度に起因
する誤差成分が電子部品の装着精度に含まれず、装着精
度が向上するという効果がある。

【００６０】また、装着ヘッドに固定された撮像光学系
を使用するので、可動式の光学部品を撮影ごとに位置決
めさせる方式と比較して、光学部品の位置繰返し精度の
影響を受けないので高精度の検出が可能となるととも
に、従来例のような可動式撮像光学系を差し入れるため
のスペースを設ける必要が無くなり、従来例よりも吸着
ノズルの上下ストロークの短縮が可能なので、吸着ノズ
ルの上下移動に伴って生じ、装着精度の低下要因となる
機構誤差をも減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の検出装置の原理の説明図。

【図２】シャインプルーフの結像条件を原理説明図。

【図３】本発明の光学系において、物，像面の法線と光
軸とを含む平面による物，像面と物，像主面の切口を示
す説明図。

【図４】本発明の第１実施例の構成及び動作を示す斜視
図。

【図５】本発明の装置を組み込んだ電子部品装着機の構
成及び動作を示す斜視図。

【図６】本発明の第２実施例の構成及び動作を示す斜視
図。

【図７】本発明の第３実施例の構成及び動作を示す斜視
図。

【符号の説明】

１…ロボット、２…装着ヘッド、３…プリント回路基
板、４…吸着ノズル、５…電子部品、６…ランドパター
ン、７…ランドパターンの仮想中心位置、８…第１の駆
動装置、９…第２の駆動装置、１０…撮像光学系、１１
…望遠鏡レンズ系、１２…光軸、１３…物主面、１４…
撮像素子、１５…像主面、１６…軸、１７…反射型照
明、１８…制御装置、１９…撮像装置、２０…画像処理
装置、２１…電子部品供給装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面状の被写体と物側テレセントリックな
レンズ系と結像面とがシャインプルーフの条件を満たす
ように傾斜配置された撮像光学系を有することを特徴と
する位置と姿勢の検出装置。