JPH11351836A

JPH11351836A - 立体形状検出装置及びその方法

Info

Publication number: JPH11351836A
Application number: JP15881198A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Okuda; 浩人奥田; Toshifumi Honda; 敏文本田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】焦点はずれの度合の異なる複数の画像信号を検
出し、検出対象物の高さを算出する立体形状検出装置に
おいて、画像間の整合をとるために要する労力を軽減す
る、あるいは、画像間の整合ずれに起因する検出精度の
低下を防止する。【解決手段】校正用サンプルを用いて、あらかじめ、検
出光量減光比、画像信号増幅度、位置ずれ量、高さ補正
量を算出しておき、これらの量を光量補正手段、信号増
幅手段、位置ずれ補正手段あるいは収差補正手段に設定
して画像信号の整合を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工業製品の外観検
査において立体形状を高精度に検査する技術に関する。
特に電子回路部品のリードはんだ付け部を検査する技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】検出対象物の結像情報をもとに立体形状
を検出する方式としては、たとえば文献、石原満宏：
“非走査マルチビーム形共焦点撮像系による高速三次元
計測”、第９回［外観検査の自動化］ワークショップ、
１９９７、にあるように共焦点方式を用いたもの、文
献、本田敏文：“光学的３次元形状検出によるはんだ付
自動外観検査技術”、第９回［外観検査の自動化］ワー
クショップ、１９９７、にあるように共焦点方式を複数
組み合わせた多段焦点方式を適用したもの、文献、中川
泰夫：“産業自動化への応用〜外観検査の自動化〜”、
計測と制御、１９９５、にあるようにＳhape from Ｆoc
usを用いたものなどがある。

【０００３】図２に共焦点方式の原理を示す。本方式は
検出対象をスポット状の光で照明し、検出対象またはセ
ンサをｚ方向に移動させつつ、ピンホールを介して反射
光を検出する。検出対象物が結像レンズに関してピンホ
ールと共役な位置に有る場合、ピンホールを通過する光
量が最大になるという特性を用いて高さを検出する手法
である。

【０００４】図３に多段焦点方式の原理を示す。本方式
は共焦点方式の一種の変形である。共焦点方式では、検
出対象またはセンサをｚ方向に移動させたのに対し、本
方式では、検出光路を複数に分割し、各分割光路毎にセ
ンサを異なる合焦位置に配置している。図４に検出対象
物の高さと各センサの出力強度との関係を示す。出力強
度が最大となるセンサと検出対象物が結像レンズに関し
て共役な位置にあるという特性を用いて高さを検出する
方法である。

【０００５】図５にＳhape from Ｆocusの原理を示す。
本方式は検出対象物を面状の一様な光で照明し、検出対
象またはセンサをｚ方向に移動させて検出対象物とセン
サの間の光学的距離を複数の異なる値に設定し、各設定
毎に画像を検出し、画素ごとにラプラシアン演算を行う
ことで合焦測度を算出する。検出対象物が結像レンズに
関してセンサと共役な位置にある場合に合焦測度が最大
になるという特性を用いて対象物の高さを検出する手法
である。

【０００６】上記いずれの方法においても、焦点はずれ
の度合の異なる複数の画像を検出し、これら複数の画像
を総合して処理する必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術には、
焦点はずれの度合の異なる画像間の整合が悪いため検出
精度が低下する、あるいは、画像間の整合をとるために
多大な労力を要する、という問題がある。以下、多段焦
点方式を例に説明する。本方式において精度良く高さ検
出を行うためには、図４に示した如く、各センサの出力
が均等である必要がある。しかし、実際には、ビームス
プリッタの光量分割比ばらつき、センサの感度むら等に
より、センサ出力にばらつきが生じる。そこで、センサ
の前段にＮＤフィルタを挿入して入射光量を減光する、
あるいはセンサ出力を増幅する、等によりセンサ出力の
規格化を行っていたが、この調整作業に多大な労力を要
していた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、検出対象物
を照明する照明手段と、前記検出対象物の像を結像する
結像レンズと、前記結像レンズで結像させた像の光量を
電気信号に変換する光電変換手段と、前記検出対象物と
前記結像レンズとの光学的距離、または前記光電変換手
段と前記結像レンズとの光学的距離を複数の異なる値に
設定して、各設定状態において取得した前記光電変換手
段の出力に基づいて前記検出対象物の高さを算出する高
さ算出手段と、を備える立体形状検出装置にであって、
前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記検出対象物と前記結
像レンズに関して共役な位置に配置する光電変換手段位
置調節手段、または、前記光電変換手段と前記結像レン
ズとの光学的距離の各設定値毎に、前記検出対象物を前
記光電変換手段と前記結像レンズに関して共役な位置に
配置する検出対象物位置調節手段と、前記検出対象物と
前記結像レンズ、及び前記光電変換手段の配置関係の各
設定状態毎に、前記光電変換手段の出力値に反比例した
照明光量設定値を算出する照明光量算出手段、または、
前記光電変換手段の出力値に反比例した検出光量設定値
を算出する検出光量算出手段、または、前記光電変換手
段の出力値に反比例したゲイン設定値を算出するゲイン
算出手段と、照明光量を前記照明光量算出手段によって
算出した照明光量設定値に設定する照明光量調節手段、
または、検出光量を前記検出光量算出手段によって算出
した検出光量設定値に設定する検出光量調節手段、また
は、ゲインを前記ゲイン算出手段によって算出したゲイ
ン設定値に設定するゲイン調節手段と、を備えることを
特徴とする立体形状検出装置、によって解決される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を説明する。図１は、本実施の形態における立体形状検
出装置の構成図である。

【００１０】本実施の形態は多段焦点方式に本発明を適
用したものである。検出対象物１０１はＸＹＺステージ
１０２に固定されている。照明用のレーザ１０８から射
出されたレーザ光は、中央にピンホールが配置されてい
るミラー１０７、及びリレーレンズ１０５，１０６を介
して、ポリゴンミラー１０４で折り返され、スキャンレ
ンズ１０３によって検出対象物１０１上に焦点を結ぶ。
反射光はスキャンレンズ１０３を透過後、再びポリゴン
ミラー１０４で折り返される。折り返されたレーザ光は
ある程度広がりを持っているため、ミラー１０６のピン
ホールで反射され、ビームスプリッタ１０９，１１０に
より３分割される。

【００１１】１１１，１１２はミラーである。３分割さ
れた反射光は、結像レンズ１１３〜１１５によってピン
ホール１１６〜１１８に結像する。結像情報は光検出器
１１９〜１２１によって電気信号によって変換される。
１２２〜１２４はオフセット及びゲインを電気的に制御
可能な増幅器である。ただし、光検出器からの出力信号
に変換を加えずに後段に出力することも可能とする。１
２８は高さ算出器である。増幅された各光検出器からの
出力をもとに高さを算出する。１２９は全体を制御する
制御用コンピュータである。作業者は、制御用コンピュ
ータ１２９で動作するユーザインターフェースソフトを
介して装置を操作する。

【００１２】以下に、光検出器と検出対象物が検出光学
系に関して共役な位置にある時の出力信号強度（以後、
最大出力信号強度）を規格化するための手順を説明す
る。まず、ユーザインターフェースソフトは作業者に対
し、校正用サンプルを用いた測定動作を促す。作業者
は、図６に示すように検出領域全面が一定の高さから成
る校正用サンプルを用意し、光軸に対してサンプル上面
が垂直となるよう、校正用サンプルをＸＹＺステージ１
０２に載置する。次いで、ユーザインターフェースソフ
トは以下の動作を実行する。まず、オフセット調整手順
について説明する。照明光強度を０とした時の各光検出
器からの出力、すなわち光検出器の黒レベルを出力信号
強度記憶部１２７に記憶する。この時、増幅器１２２〜
１２４は、光検出器からの出力に変換を加えずに出力す
るべく設定しておく。

【００１３】図７（ａ）に、記憶された各光検出器から
の出力信号強度を示す。１２５のオフセット補正量調整
部は、記憶された信号強度を参照して、各光検出器にお
けるオフセット補正量を算出し、各増幅器のオフセット
補正値を設定する。

【００１４】次にゲイン調整手順について説明する。図
６に示す典型的な検出対象と同様の反射特性を持つゲイ
ン校正用サンプルをＸＹＺステージに載置し、検出高さ
レンジの上限から下限までサンプルを移動させつつ、各
光検出器からの出力を出力信号強度記憶部１２７に記憶
する。この時、増幅器１２２〜１２４は、光検出器から
の出力に対しオフセット補正を行い出力する。図７
（ｂ）に、記憶された各光検出器からの出力信号を示
す。１２６のゲイン調整部は、記憶された信号強度を参
照して、各光検出器におけるゲインを算出する。ゲイン
は、例えば式（数１）に示す如く、最大出力信号強度の
逆数の定数倍として算出すればよい。ゲイン調整部１２
６は各増幅器のゲインを設定する。以上の手順により、
最大信号出力強度を規格化するべく、各増幅器のオフセ
ットとゲインを調整できる。

【００１５】

【数１】

【００１６】以下、本発明の第２の実施の形態を図８〜
図１０により説明する。

【００１７】本実施の形態は、Ｓhape from Ｆocusに本
発明を適用したものである。光源８０３から発した光を
集光レンズ８０４で集光し、８０５のハーフミラーで折
り返し、対物レンズ８０６を介してＸＹステージ８０２
上の検出対象物８０１を照明する。反射光を結像レンズ
８０７を透過させた後、ビームスプリッタ８０８、ハー
フミラー８０９によって３分割し、ラインセンサ８１
１，８１２，８１３に入射させる。８１０はミラーであ
る。ラインセンサ８１１，８１２，８１３は、それぞれ
検出対象物８０１との光学的距離が異なるべく配置して
ある。各ラインセンサから出力された画像信号をシェー
ディング補正器８１４，８１５，８１６にて補正した
後、画像メモリ８１７，８１８，８１９に格納する。高
さ検出器８２２は、画像メモリ８１７〜８１９に格納さ
れた画像を読み出す。８２０，８２１は読み出しアドレ
ス補正器である。図９を用いて読み出しアドレス補正器
について説明する。

【００１８】図９に示すように画像メモリ８１７〜８１
９は、各セルに画素毎の濃淡値が格納されている、Ｘ及
びＹの２次元のアドレスをインデックスにもつメモリで
ある。高さ検出器８２２は、あらかじめ設定されたＸ及
びＹ方向読み出し開始アドレスから開始して逐次データ
を読み出す。高さ検出器８２２は、画像メモリ８１７〜
８１９に格納された画像データを読み出し、各画素につ
いて合焦測度を算出し、高さを求める。８２４は全体を
制御する制御用コンピュータである。作業者は、制御用
コンピュータ８２４で動作するユーザインターフェース
ソフトを介して装置を操作する。

【００１９】高さを精度良く求めるためには各画像が正
確に位置合わせされている必要がある。しかしラインセ
ンサ８１１，８１２，８１３において各画像を位置ずれ
なく検出するためには通常困難である。そこで本実施の
形態においては以下の手順によって、画像の位置合わせ
を行っている。まず、ユーザインターフェースソフトは
作業者に対し、校正用サンプルの設定を促す。校正用サ
ンプルは検出領域全面が一定の高さであり、かつ、上面
には位置合わせ用パターンが描かれている。作業者は、
ＸＹステージ８０２上に校正用サンプルを上面が光軸に
垂直となるよう載置する。

【００２０】次いで、ユーザインターフェースソフトは
以下の動作を実行する。まず、位置ずれ補正用サンプル
の画像を検出し、画像メモリ８１７，８１８，８１９に
格納する。ついで、位置ずれ量算出器８２３によって、
画像メモリ８１７及び８１８に格納されている画像の位
置ずれ、及び、画像メモリ８１７及び８１９に格納され
ている画像の位置ずれ量を算出する。図１０を用いて位
置ずれ量の算出手順を説明する。

【００２１】画像メモリ８１７中において、先頭アドレ
スが（ｘｓ，ｙｓ）であり、Ｘ，Ｙそれぞれの長さがｘ
１，ｙ１の領域を不一致量カウント用部分画像Ａとし、
一方、画像メモリ８１８中に先頭アドレスが（ｘ，ｙ）
であり、Ｘ，Ｙそれぞれの長さがｘ１，ｙ１の領域を不
一致量カウント用部分画像Ｂとし、部分画像Ａ，Ｂの各
画素における濃淡値の差の絶対値を部分画像全体にわた
って累積加算し、和をＳとする。部分画像Ｂの先頭アド
レス（ｘ，ｙ）を変更しつつ、逐次累積加算値Ｓを求
め、Ｓが最大となるようなＢの先頭アドレス（ｘｍａ
ｘ，ｙｍａｘ）を求める。位置ずれ量算出器８２３は、
Ｘ，Ｙ方向の読み出し開始アドレスをそれぞれｘｍａｘ
−ｘ，ｙｍａｘ−ｙとして算出し、読み出しアドレス補
正器８２０，８２１のＸ及びＹ方向読み出し開始アドレ
スを補正する。以上の手順により、各画像メモリから画
像を位置ずれなく読み出すことができ、合焦測度を正確
に計算できる。

【００２２】以下本発明の第３の実施の形態について図
１１を用いて説明する。本実施の形態は第２の実施形態
と基本的に同一の構成である。ただし、位置ずれを補正
するのみならず倍率の差、並びに歪曲収差の影響をも補
正する点が異なる。これを歪の図１２を用いて説明す
る。図１２は格子状のパターンを各センサで撮像して得
た画像である。Ｓhape from Ｆocusによって高さを精度
良く求めるためには、各画像が正確に位置合わせされて
いるだけでなく、画像間の対応関係を画素単位で求めて
おく必要がある。しかし、図１２に示した如く、各々の
センサで撮像して得られる画像においては、倍率が異な
ると同時に、歪曲収差の大きさが異なるため、第２の実
施の形態で採用した位置合わせ方式では画像間の対応を
画素単位で求めることができない。

【００２３】そこで本実施の形態においては以下の手順
によって、画像の位置合わせを行っている。図１３に示
すように校正用サンプルは、検出領域全面が一定の高さ
であり、かつ、上面には一定の間隔で格子状にマークを
記してある。まず、ユーザインターフェースソフトは作
業者に対し、校正用サンプルの測定動作を促す。作業者
は、校正用サンプルを上面が光軸に垂直となるべくＸＹ
Ｚステージ１１０２上に載置する。次いで、ユーザイン
ターフェースソフトは以下の動作を実行する。校正用サ
ンプルの画像を検出し、画像メモリ１１１７，１１１
８，１１１９に格納する。ついで、位置ずれ及び収差補
正量算出器１１２３によって、画像メモリ１１１７及び
１１１８に格納されている画像の位置ずれ、及び、画像
メモリ１１１７及び１１１９に格納されている画像の位
置ずれ補正量を算出する。

【００２４】図１４を用いて位置ずれ補正量の算出手順
を説明する。図１４はそれぞれ、センサ１１１１，１１
１２，１１１３により検出した画像である。センサ１１
１１，１１１２によって検出した画像間の位置ずれ補正
量の算出方法を述べる。センサ１１１１，１１１３によ
って検出した画像間の位置ずれも同様に求めることがで
きる。図１４に示したように、位置ずれ量は画面中央部
では小さく、画面端では大きくなる。すなわち、位置ず
れ量は画面中での位置に依存して異なる。しかし、マー
クの間隔を十分細かくしておけば、各小領域内での位置
ずれ量は一定と考えてよい。そこで、互いに隣接する４
個のマークに囲まれる小領域（例えば、センサ１１１１
による検出画像中において、点Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄で囲
まれる領域。ハッチングで示す。）毎に位置ずれ量を求
めることとする。

【００２５】以下、領域Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄とＢ₁，
Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄を例に位置ずれ量を求める方法を述べ
る。まず、図１５に示す手順で、Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄、
Ｂ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄、の座標（ｘａ１，ｙａ１）、（ｘ
ａ２，ｙａ２）、（ｘａ３，ｙａ３）、（ｘａ３，ｙａ
３）、（ｘａ４，ｙａ４），（ｘｂ１，ｙｂ１）、（ｘ
ｂ２，ｙｂ２）、（ｘｂ３，ｙｂ３）、（ｘｂ４，ｙｂ
４）を求める。検出画像を２値化後、ラベリングを行
い、各マークの座標を求める。次いで、ｘ座標の値がほ
ぼ同じ点同士をグループ化し、ｘ座標の大きさ順に、グ
ループ毎にｘ番号を与える。さらに、各グループ内でｙ
座標の大きさ順にマークにｙ番号を与えることにより、
全てのマークをｘ番号及びｙ番号によって一意に対応づ
ける。次に、Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄とＢ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄
の重心位置のずれを求める。ｘ、ｙ方向の位置ずれ量
を、それぞれ式（数２）、（数３）に示す。以上によ
り、領域Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄とＢ₁，Ｂ₂，Ｂ₃，Ｂ₄の位
置ずれを求めることができる。

【００２６】

【数２】

【００２７】

【数３】

【００２８】以上の処理を画像中の全ての小領域毎に繰
り返して行うことにより、画像全体における位置ずれ補
正量を求めることができる。算出結果は、図１６に示す
各小領域毎の位置ずれ補正量格納テーブルとして位置ず
れ補正量算出器１１１３が記憶しておく。位置ずれ補正
量算出器１１１３は、位置ずれ補正量格納テーブルをも
とに、読み出しアドレス補正器１１２０，１１２１のＸ
及びＹ方向読み出し開始アドレスを補正する。以上の手
順により、各画像メモリから画像を位置ずれなく読み出
すことができ、合焦測度を正確に計算できる。

【００２９】以下、本発明の第４の実施の形態を図１７
により説明する。

【００３０】本実施の形態はＳhape from Ｆocusに本発
明を適用したものである。センサの前段に階段状のブロ
ックガラスを挿入している。センサは，，の３チ
ャネルに分割されており、各チャネルに入光する光束は
異なる板厚のガラスを経由して検出される。

【００３１】

【数４】

【００３２】図１９に示すように、ガラス板を介して収
束光束を検出すると、合焦位置は板厚に比例して式（数
４）で表される分ずれる。従って、各チャネルからは互
いに合焦状態の異なる３個の画像が得られる。図１８は
ステージの移動と検出領域を説明する図である。

【００３３】１回目の走査で、チャネル，，はそ
れぞれ図中，，の画像を検出する。１回目の走査
後、ステージはセンサ幅の３分の１、ｙ方向に移動す
る。次いで２回目の走査では、チャネル，，はそ
れぞれ図中，，の画像を検出する。２回目の走査
後、ステージはセンサ幅の３分の１、ｙ方向に移動す
る。次いで２回目の走査では、チャネル，，はそ
れぞれ図中，，の画像を検出する。第３走査目が
終了した時点で、領域のチャネル，，による検
出画像が得られる。以後、上記動作の繰り返しにより検
出対象物全面の画像を検出する。

【００３４】ラインセンサからの出力された画像信号
は、シェーディング補正器１７１０，１７１１，１７１
２にて補正した後、セレクタ１７１６を介して画像メモ
リ１７１８に格納する。画像メモリ１７１８は４個の部
分メモリから成っており、各部分メモリには、同一の検
出領域に対応する合焦測度の異なる３個の画像を格納す
る。

【００３５】さて、本実施の形態は、第２、第３の実施
の形態と比較してセンサが１個だけでよい点が有利であ
る。しかし、第２、第３の実施の形態においては合焦状
態の異なる画像を同時に検出していたのに対し、本実施
の形態においては、合焦状態の異なる画像を複数の走査
にまたがって検出するため、ステージの位置精度が画像
間の位置ずれに直接影響を与える点で不利である。第
２、第３の実施の形態においては、画像間の位置ずれ量
は固定値として扱ってよいが、本実施の形態において
は、検出の度に画像間の位置合わせを行う必要がある。

【００３６】以下に本実施の形態における位置合わせ方
法を説明する。本方法は第１の実施の形態で述べた位置
合わせ方法を拡張した方法であり、さらに高精度な位置
合わせを可能とする。第１の実施の形態における位置合
わせ方法、すなわち、画像間で対応する各画素の濃淡レ
ベルの差を画面全体にわたって累積加算し、累積加算和
が最小となる位置ずれ量を求める方法では、必ずしも１
画素単位の正確な位置合わせが困難であるという問題が
ある。そこで本方法では、各画像に対し焦点はずれにと
もなう画像の劣化を回復する画像復元処理を行った上
で、第１の実施の形態における位置合わせ方法によって
位置ずれ量を算出する。

【００３７】以下に、本方法における画像復元処理につ
いて説明する。図２０に校正用サンプルを示す。校正用
サンプルは上面が平坦で、パルス状の濃度変化をもつパ
ターンが記されている。図２１は校正用サンプルの検出
画像である。校正用サンプルの上面に対し、チャネル
は合焦位置にあるものとする。チャネルによる検出画
像に対し、チャネル，による検出画像は焦点はずれ
にともなう画像劣化が発生している。チャネル，に
よる検出画像の濃淡分布をそれぞれｈ１（ｘ，ｙ），ｈ
２（ｘ，ｙ）とすると、ｈ１（ｘ，ｙ），ｈ２（ｘ，
ｙ）は、チャネル，による検出における画像劣化の
インパルス応答となっている。すなわち、今、仮に校正
用サンプル上検出した画像の濃淡分布がｆ（ｘ，ｙ）で
あると仮定すると、センサ，で検出した画像の濃淡
分布は、それぞれ下記式（数５），（数６）で表され
る。

【００３８】

【数５】

【００３９】

【数６】

【００４０】

【数７】

【００４１】画像劣化のインパルス応答が既知の時、劣
化した画像から元画像を回復する方法については、例え
ば、文献、谷萩ほか：“２次元デジタルフィルタによる
ぼけ画像の復元”、信学論（Ｄ）Ｊ６４−Ｄ，１９８
１、が知られている。本方法は、式（数７）で示すよう
に、劣化画像に対しデジタルフィルタリング、すなわ
ち、離散畳み込み演算をおこなった時、元画像との２乗
誤差が最小となるべく、フィルタ係数を決定する方法で
ある。画像解析用コンピュータ１７２１は、校正用サン
プルの画像を画像メモリ１７１８から読み出してインパ
ルス応答ｈ１（ｘ，ｙ）、ｈ２（ｘ，ｙ）を求め、次い
で式（数７）に従ってフィルタ係数を求め、画像復元処
理器１７１３，１７１４，１７１５に設定する。

【００４２】

【数８】

【００４３】画像復元処理器１７１３，１７１４，１７
１５について図２２を用いて説明する。画像強調処理器
は、ラインバッファ２２０１、係数記憶器２２０２、積
和演算器２２０３から成る。入力信号に対し、式（数
８）で表される演算を行い、出力する。以上、校正用サ
ンプルを用いた画像復元処理方法について述べた。

【００４４】次に、本方法における位置合わせ方法につ
いて図１７を用いて説明する。チャネル，，で検
出した画像をメモリ１７１８に格納する一方で、画像復
元処理器１７１３，１７１４，１７１５によって復元し
た後、位置ずれ量算出器１７１７で位置ずれ量を算出す
る。位置ずれ量算出器１７１７における位置合わせ方法
は第１の実施の形態で述べた方法による。高さ算出器１
７２０は、位置ずれ量算出器１７１７で算出した位置ず
れ量を参照しながら、画像メモリ１７１８からの読み出
しアドレスを補正する。以上の手順により、各画像メモ
リから画像を位置ずれなく読み出すことができ、合焦測
度を正確に計算できる。

【００４５】以下本発明の第５の実施の形態について、
図２３を用いて説明する。本実施の形態は共焦点方式に
本発明を適用したものである。図１９に示すように、収
束光路中に平行ガラス板を挿入すると、平行ガラス板を
挿入しない場合と比べ、合焦位置がガラス板の厚さに比
例してずれる特性を利用している。式（数４）に合焦位
置のずれを示す。光学系の構成は第１の実施の形態と類
似しているが、光路を分割していない点、及び、板厚の
異なる複数のガラス板がはめられた回転パレット２３１
０を光路中に挿入している点が異なる。光検出器の数が
１個でよい点が有利である。同一の点からの反射光を、
回転パレットを回転させつつ板厚の異なるガラスを介し
て検出することによって、焦点はずれの度合の異なる複
数の画像を検出することができる。図２４に高さ算出方
式を示す。各ガラス板を介して検出したセンサ出力強度
をプロットしてある。各センサ出力強度の点列を、例え
ば、図中の実線に示す如くガウス関数で補間近似して、
ピーク位置を合焦位置として求めることができる。

【００４６】もちろん、ポリゴンミラー２３０４の回
転、ステージ２３０２の移動、回転パレット２３１０の
回転は同期させる必要がある。以下、同期のタイミング
を図２５によって説明する。図２３の２３１６に示すよ
うに回転パレットには、８枚の板厚の異なるガラス板が
はめられているとし、また、ポリゴンミラーは８角形と
する。ポリゴンミラーと回転パレットは同一の速度で回
転させる。ビームがポリゴンミラーの辺ａ、ｂ、
ｃ、、、で折り返されている間は、反射光はそれぞれ、
回転パレットのガラス板Ａ、Ｂ、Ｃ、、、を介して検出
する。ポリゴンミラーが１回転する間に、ビーム照射位
置は、対象物上の直線上を８往復し、各往復毎に異な
るガラス板を介した画像信号、言い換えれば、異なる合
焦位置に対応する画像信号を検出する。これにより、直
線上の立体形状を算出するための画像を検出できたこ
とになる。次いでＸＹＺステージを移動させ、次なる回
転では直線上の画像を検出する。以後、上述の動作を
繰り返すことによって、直線、、、、、上の点を
順に検出する。

【００４７】検出対象物２３０１からの反射光は、回転
パレット２３１０を経由し、光検出器２３１２で検出さ
れる。２３１４は、各々が異なる合焦位置に対応する画
像を格納するための複数のメモリから成る画像メモリで
ある。セレクタ２３１３は、回転パレットからの同期信
号をもとに、書き込み先を選択し、検出画像をメモリ２
３１４に書き込む。高さ検出器２３１５は、２３１４に
格納された画像を読み出して高さを算出する。

【００４８】上述した光学系は、テレセントリック系に
よる実現が望ましいが価格等の問題により、必ずしもテ
レセントリック系の実現は容易ではない。非テレセント
リック系により実現した場合、各ガラス板による収差の
発生状況が異なるためこれを補正する必要がある。図２
６に平行板ガラスの挿入による像面湾曲を示す。

【００４９】

【数９】

【００５０】光軸外の点の結像位置は、式（数４）で決
まる光軸上点の結像位置から式（数９）で表される分ず
れるため、高さ算出に際しては、このずれを補正する必
要がある。

【００５１】以下、像面湾曲の補正の手順を述べる。検
出領域が平坦な校正用サンプルを検出し、図２７に示す
ようなセンサ出力を得る。図中において、丸印は画面中
央の点Ａの検出結果、×印は画面端の点Ｂの検出結果で
ある。点Ａの検出時における各センサ出力は、点Ｂの検
出時における各センサ出力と異なるため、各センサ出力
をガウス関数によって補間して求めた合焦位置は異なっ
てしまう。そこで、画面中の各点における合焦位置算出
結果と、点Ａにおける合焦位置算出結果の差を図２８に
示す合焦位置補正テーブルとして記憶しておく。さら
に、ＸＹＺステージをＺ方向に一定量移動させ、同様に
合焦位置補正テーブルを作成、記憶しておく。以下、上
述の手順を繰り返すことにより、検出対象物の高さ毎
に、画面中央部と画面端部における合焦位置の差を格納
する合焦位置補正テーブルを作成、記憶しておく。合焦
位置補正テーブルは、図２３の２３１７合焦位置補正テ
ーブル記憶器に記憶しておく。

【００５２】以上の手順により、各ガラス板を介して得
た画像信号に基づいて高さを算出する際、高さ算出結果
及び、画面中の位置をインデックスにして合焦位置補正
テーブルを参照し、高さ算出結果を補正することによ
り、像面湾曲の影響なく、正確に高さ算出を行うことが
できる。

【００５３】

【発明の効果】本発明により、焦点はずれの度合の異な
る画像を用いて検出対象物の高さを検出する装置におい
て、画像間の整合をとるための調整作業を自動化でき、
調整作業時間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による立体形状検出装置の第１の実施例
の構成を示す図である。

【図２】共焦点方式の原理を説明する図である。

【図３】多段焦点方式の原理を説明する図である。

【図４】多段焦点方式における各センサの出力を示す波
形図である。

【図５】Ｓhape from Ｆocusの原理を説明する図であ
る。

【図６】校正用サンプルを示す斜視図である。

【図７】校正用サンプルを検出した際のセンサ出力を示
す図である。

【図８】本発明による立体形状検出装置の第２の実施例
の構成を示す図である。

【図９】読み出しアドレス補正器を説明する図である。

【図１０】位置ずれ量の算出手順を説明する図である。

【図１１】本発明による立体形状検出装置の第３の実施
例の構成を示す図である。

【図１２】各センサによる校正用サンプルの検出画像を
示す図である。

【図１３】校正用サンプルを示す図である。

【図１４】各センサによる校正用サンプルの検出画像に
おける対応関係を示す図である。

【図１５】校正用サンプルの画像からマークを検出する
アルゴリズムを説明する図である。

【図１６】位置ずれ補正量格納テーブルを示す図であ
る。

【図１７】本発明による立体形状検出装置の第４の実施
例の構成を示す図である。

【図１８】検出領域と走査方向の関係を示す図である。

【図１９】平行ガラス板の挿入による合焦位置の変化を
説明する図である。

【図２０】校正用サンプルの検出画像と波形を示す図で
ある。

【図２１】各チャネルによる校正用サンプルの検出画像
と波形を示す図である。

【図２２】画像復元器の構成を示す図である。

【図２３】本発明による立体形状検出装置の第５の実施
例の構成を示す図である。

【図２４】高さ算出方式を示す図である。

【図２５】ポリゴンミラー、回転パレット、ステージの
動作タイミングを説明する図である。

【図２６】平行ガラス板の挿入による湾曲収差を説明す
る図である。

【図２７】校正用サンプルの検出結果を示す図である。

【図２８】合焦位置補正量テーブルを示す図である。

【符号の説明】

１０１…検出対象物、１０２…ＸＹＺス
テージ、１０３…スキャンレンズ、１０４…
ポリゴンミラー、１０５，１０６…リレーレンズ、
１０７…ミラー、１０８…レーザ、
１０９，１１０…ビームスプリッタ、１１１，１１２…
ミラー、１１３，１１４，１１５…結像レン
ズ、１１６，１１７，１１８…ピンホール、１１９，１
２０，１２１…光検出器、１２２，１２３，１２４…増
幅器、１２５…オフセット補正量調整部、１２６…ゲ
イン調整部、１２７…出力信号強度記憶部、１２
８…高さ算出器、１２９…制御用コンピュータ、
８０１…検出対象物、８０２…ＸＹステージ、
８０３…光源、８０４…集光レンズ、
８０５…ハーフミラー、８０６…対物レンズ、
８０７…結像レンズ、８０８…ビームスプリッ
タ、８０９…ハーフミラー、８１０…ミラー、
８１１，８１２，８１３…ラインセンサ、８１４，８１
５，８１６…シェーディング補正器、８１７，８１８，
８１９…画像メモリ、８２０，８２１…読み出しアドレ
ス補正器、８２２…高さ算出器、８２３
…位置ずれ量算出器、８２４…制御用コンピュータ、
１１０１…検出対象物、１１０２…ＸＹステージ、
１１０３…光源、１１０４…集光レンズ、
１１０５…ハーフミラー、１１０６…対物レン
ズ、１１０７…結像レンズ、１１０８…ビ
ームスプリッタ、１１０９，１１１０…ミラー、
１１１１，１１１２，１１１３…ラインセンサ、１１１
４，１１１５，１１１６…シェーディング補正器、１１
１７，１１１８，１１１９…画像メモリ、１１２０，１
１２１…読み出しアドレス補正器、１１２２…高さ算出
器、１１２３…位置ずれ量算出器、１１２
４…制御用コンピュータ、１７０１…検出対象物、
１７０２…ＸＹステージ、１７０３…光源、
１７０４…集光レンズ、１７０５…ハーフ
ミラー、１７０６…対物レンズ、１７０７
…結像レンズ、１７０８…階段状ブロックガラス、１
７０９…ハーフミラー、１７０９…ラインセンサ、１７
１０，１７１１，１７１２…シェーディング補正器、１
７１３，１７１４，１７１５…画像復元処理器、１７１
６，１７１９…セレクタ、１７１８…画像メモリ、
１７１７…位置ずれ量算出器、１７２０…高さ算
出器、１７２１…画像解析用コンピュータ、１７２２…
制御用コンピュータ、２３０１…検出対象物、
２３０２…ＸＹＺステージ、２３０３…スキャンレ
ンズ、２３０４…ポリゴンミラー、２３０５，
２３０６…リレーレンズ、２３０７…ミラー、２３０８
…レーザ、２３０９…結像レンズ、２
３１０…回転パレット、２３１１…ピンホー
ル、２３１２…光検出器、２３１３…セ
レクタ、２３１４…画像メモリ、２３１５
…高さ検出器、２３１６…回転パレットの拡大図、２
３１７…合焦位置補正テーブル記憶器、２３１８…制御
用コンピュータ、１７０１…検出対象物、１７０２
…ＸＹステージ、１７０３…光源、１７０４
…集光レンズ、１７０５…ハーフミラー、
１７０６…対物レンズ、１７０７…結像レ
ンズ、１７０８…階段状ガラスブロック、１７０９…
ラインセンサ、１７１０，１７１１，１７１２…シェー
ディング補正器、１７１３，１７１４，１７１５…画像
復元処理部、１７１６，１７１９…セレクタ、１７
１７…位置ずれ量検出、１７１８…画像メモリ、
１７２０…高さ算出器、１７２１…画像解析用コ
ンピュータ、１７２２制御用コンピュータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出対象物を照明する照明手段と、前記検
出対象物の像を結像する結像レンズと、前記結像レンズ
で結像させた像の光量を電気信号に変換する光電変換手
段と、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距
離、または前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学
的距離を複数の異なる値に設定して、各設定状態におい
て取得した前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出
対象物の高さを算出する高さ算出手段と、を備える立体
形状検出装置において、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記検出対象物と前記結
像レンズに関して共役な位置に配置する光電変換手段位
置調節手段、または、前記光電変換手段と前記結像レン
ズとの光学的距離の各設定値毎に、前記検出対象物を前
記光電変換手段と前記結像レンズに関して共役な位置に
配置する検出対象物位置調節手段と、前記検出対象物と前記結像レンズ、及び前記光電変換手
段の配置関係の各設定状態毎に、前記光電変換手段の出
力値に反比例した照明光量設定値を算出する照明光量算
出手段、または、前記光電変換手段の出力値に反比例し
た検出光量設定値を算出する検出光量算出手段、また
は、前記光電変換手段の出力値に反比例したゲイン設定
値を算出するゲイン算出手段と、照明光量を前記照明光量算出手段によって算出した照明
光量設定値に設定する照明光量調節手段、または、検出
光量を前記検出光量算出手段によって算出した検出光量
設定値に設定する検出光量調節手段、または、ゲインを
前記ゲイン算出手段によって算出したゲイン設定値に設
定するゲイン調節手段と、を備えることを特徴とする立
体形状検出装置。
【請求項２】検出対象物を照明する照明手段と、検出対
象物の像を結像する結像レンズと、前記結像レンズで結
像させた像の光量を電気信号に変換する光電変換手段
と、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離、
または前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距
離を複数の異なる値に設定して、各設定状態において取
得した前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出対象
物の高さを算出する高さ算出手段と、を備える立体形状
検出装置において、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記検出対象物と前記結
像レンズに関して共役な位置に配置する光電変換手段位
置調節手段、または、前記光電変換手段と前記結像レン
ズとの光学的距離の各設定値毎に、前記検出対象物を前
記光電変換手段と前記結像レンズに関して共役な位置に
配置する検出対象物位置調節手段と、前記検出対象物と
前記結像レンズ、及び前記光電変換手段の配置関係の各
設定状態毎に、前記光電変換手段の出力する画像を記憶
する画像記憶手段と、検出画像同士を画素単位で位置合
わせする位置合わせ手段と、を備えることを特徴とする
立体形状検出装置。
【請求項３】検出対象物を照明する照明手段と、検出対
象物の像を結像する結像レンズと、前記結像レンズで結
像させた像の光量を電気信号に変換する光電変換手段
と、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離、
または前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距
離を複数の異なる値に設定して、各設定状態において取
得した前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出対象
物の高さを算出する高さ算出手段と、を備える立体形状
検出装置において、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記検出対象物と前記結
像レンズに関して共役な位置に配置する光電変換手段位
置調節手段、または、前記光電変換手段と前記結像レン
ズとの光学的距離の各設定値毎に、前記検出対象物を前
記光電変換手段と前記結像レンズに関して共役な位置に
配置する検出対象物位置調節手段と、前記検出対象物と
前記結像レンズ、及び前記光電変換手段の配置関係の各
設定状態毎に、前記光電変換手段の出力する画像を記憶
する画像記憶手段と、検出画像同士を画素単位での位置
合わせを行う位置合わせ手段と、前記検出画像の各画素
毎の対応関係を記憶する位置ずれ量記憶器と、を備える
ことを特徴とする立体形状検出装置。
【請求項４】検出対象物を照明する照明手段と、前記検
出対象物の像を結像する結像レンズと、前記結像レンズ
で結像させた像の光量を電気信号に変換する光電変換手
段と、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距
離、または前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学
的距離を複数の異なる値に設定して、各設定状態におい
て取得した前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出
対象物の高さを算出する高さ算出手段と、を備える立体
形状検出装置において、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記検出対象物と前記結
像レンズに関して共役な位置に配置する光電変換手段位
置調節手段、または、前記光電変換手段と前記結像レン
ズとの光学的距離の各設定値毎に、前記検出対象物を前
記光電変換手段と前記結像レンズに関して共役な位置に
配置する検出対象物位置調節手段と、前記検出対象物と
前記結像レンズ、及び前記光電変換手段の配置関係の各
設定状態毎に、前記光電変換手段の出力する画像の焦点
はずれによる劣化を復元する画像復元手段と、前記画像
復元手段による復元画像同士を画素単位で位置合わせす
る位置合わせ手段と、を備えることを特徴とする立体形
状検出装置。
【請求項５】検出対象物を照明する照明手段と、前記検
出対象物の像を結像する結像レンズと、前記結像レンズ
で結像させた像の光量を電気信号に変換する光電変換手
段と、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距
離、または前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学
的距離を複数の異なる値に設定して、各設定状態におい
て取得した前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出
対象物の高さを算出する高さ算出手段と、を備える立体
形状検出装置において、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記検出対象物と前記結
像レンズに関して共役な位置に配置する光電変換手段位
置調節手段、または、前記光電変換手段と前記結像レン
ズとの光学的距離の各設定値毎に、前記検出対象物を前
記光電変換手段と前記結像レンズに関して共役な位置に
配置する検出対象物位置調節手段と、前記検出対象物と
前記結像レンズ、及び前記光電変換手段の配置関係の各
設定状態毎に、前記高さ算出手段により検出した検出視
野内の高さ分布に基づいて検出視野内の各画素における
高さ補正量を算出する高さ補正量算出手段と、前記高さ
補正量算出手段によって算出した高さ補正量を記憶する
高さ補正量記憶器と、を備えることを特徴とする立体形
状検出装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれか１項記載の立
体形状検出装置において、校正用サンプルの測定を作業
者に指示するユーザーインターフェース、を備えること
を特徴とする立体形状検出装置。
【請求項７】請求項１ないし５のいずれか１項記載の立
体形状検出装置において、校正用サンプルを備えること
を特徴とする立体形状検出装置。
【請求項８】検出対象物を照明し、前記検出対象物の像
を結像レンズにより結像し、前記結像レンズで結像させ
た像の光量を光電変換手段により電気信号に変換し、前
記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離、または
前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距離を複
数の異なる値に設定して、各設定状態において取得した
前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出対象物の高
さを算出する立体形状検出方法において、検出領域が一定の高さから成る校正用サンプルを用意
し、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の
各設定値毎に、前記光電変換手段を前記校正用サンプル
と前記結像レンズに関して共役な位置に配置する、また
は、前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距離
の各設定値毎に、前記校正用サンプルを前記光電変換手
段と前記結像レンズに関して共役な位置に配置し、前記校正用サンプルと前記結像レンズ、及び前記光電変
換手段の配置関係の各設定状態毎に、前記光電変換手段
の出力値に反比例した値に照明光量を設定する、また
は、前記光電変換手段の出力値に反比例した値に検出光
量を設定する、または、前記光電変換手段の出力値に反
比例した値にゲインを設定する設定値を算出する、こと
を特徴とする立体形状検出方法。
【請求項９】検出対象物を照明し、前記検出対象物の像
を結像レンズにより結像し、前記結像レンズで結像させ
た像の光量を光電変換手段により電気信号に変換し、前
記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離、または
前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距離を複
数の異なる値に設定して、各設定状態において取得した
前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出対象物の高
さを算出する立体形状検出方法において、検出領域が一定の高さから成り、かつ、検出領域に位置
合わせ用パターンが描かれた校正用サンプルを用意し、
前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の各設
定値毎に、前記光電変換手段を前記校正用サンプルと前
記結像レンズに関して共役な位置に配置する、または、
前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距離の各
設定値毎に、前記校正用サンプルを前記光電変換手段と
前記結像レンズに関して共役な位置に配置し、前記校正
用サンプルと前記結像レンズ、及び前記光電変換手段の
配置関係の各設定状態毎に、検出画像同士の画素単位で
の位置ずれ量を検出する、ことを特徴とする立体形状検
出方法。
【請求項１０】請求項８記載の立体形状検出方法におい
て、校正用サンプルの位置合わせパターンは、検出領域
全面に格子状に点が配置されているパターンである、こ
とを特徴とする立体形状検出方法。
【請求項１１】検出対象物を照明し、前記検出対象物の
像を結像レンズにより結像し、前記結像レンズで結像さ
せた像の光量を光電変換手段により電気信号に変換し、
前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離、また
は前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距離を
複数の異なる値に設定して、各設定状態において取得し
た前記光電変換手段の出力に基づいて前記検出対象物の
高さを算出する立体形状検出方法において、検出領域が一定の高さから成る校正用サンプルを用意
し、前記検出対象物と前記結像レンズとの光学的距離の
各設定値毎に、前記光電変換手段を前記校正用サンプル
と前記結像レンズに関して共役な位置に配置する、また
は、前記光電変換手段と前記結像レンズとの光学的距離
の各設定値毎に、前記校正用サンプルを前記光電変換手
段と前記結像レンズに関して共役な位置に配置し、前記
校正用サンプルと前記結像レンズ、及び前記光電変換手
段の配置関係の各設定状態毎に、検出視野内の高さ分布
を算出し、検出視野内の各画素における高さと視野中心
における高さの差を求めて前記画素における高さ補正量
とする、ことを特徴とする立体形状検出方法。