JPS61193013A - 表面の微小変位検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、表面の微小変位の計測に係り、特に非接触で
断面形状を測定するのに好適な表面の微小変位を検出す
る方法に関する。

〔発明の背景〕

従来より用いられている触針式の表面変位測定法は、針
が直接表面に触れるため触針に圧力があり、測定対象の
表面を損傷することなく測定することは、不可能である
。

このため２表面を非接触で光学的に測定する方式がある
。その１つとして、昭５８年度精機学会秋季大会学術講
演会論文集Ｐ３９１〜３９２河野他４名「超精密金属鏡
の開発−非接触、光学式微小変位計ヘッド−」に記載の
ように、臨界角によるフォーカスエラー検出法を応用し
たものがあり、２分割したフォトダイオードで臨界角プ
リズムを通過した対象からの入射光を受光し、各フォト
ダイオードの受光量の差を、焦点ずれ即ち微小変位とす
る方法である。しかし、臨界角プリズム等光学系の構成
が複雑であり、また表面像を観察するための光学系との
併用は考えられていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、非接触で対象表面を損傷することなく
微小な変位を測定する方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

撮像対象の表面像を絞り込む対物レンズの光軸に対して
一定の角度をもたせた撮像素子によって表面像を撮像し
、撮像した表面像より焦点状態を示す焦点量を検出し、
焦点をもとに表面の変位を算出する方法である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を、第３図により説明する。第
３図は、本発明の全体構成を示す図である。対象とする
表面１０２に対し、対物レンズ１０１、撮像素子１００
よりなる撮像装置３００によって表面像を撮像する。撮
像装置３００の光学系の構成を第１図に示す、撮像素子
１００は。

−次元のラインセンサもしくは二次元のカメラ用センサ
であり、光軸１０３に対して一定の角度θ（以下あおり
角という）１１２だけ傾けて、設定されている。このた
め、対象面１０２が子軸１１１であられされる基準奥行
面にある場合では１合焦点状態の像が、撮像面の中央１
０６の位置で得られる。また、撮像面が対物レンズ１０
１に近い点１０４では、対物レンズ１０１を通った光は
収束光来となり、焦点がずれた状態の像とな゛る。さら
に、撮像面が、対物レンズ１０１に遠い点１０５では発
散光束となり、やはり焦点がずれた状態の像となる。一
方、対象面が、基準奥行面になく、例えば、対物レンズ
側にある場合は、撮像面上の合焦点の位置は、あおりを
もたせた撮像面の対物レンズから遠い点、即ち、Ｘ軸１
１０の正方向側となり、収束光束は、この点よりＸ軸１
１０の負方向側にさらに発散光束は、Ｘ軸１１０のさら
に正方向側にあられれる。

そこで、第３図で示すように、焦点ずれの状態でその値
が小さく撮像装置３００より得られる映像信号３２０を
、もとに焦点量即ち、焦点が合っているかどうかを示す
値で焦点ずれの状態でその値が小さく合焦点状態でその
値が最大となる量を検出し、対象面の基準奥行面からの
がれ即ち変位を算出する。

該映像信号３２０は、アナログ・ディジタル変換器３０
１によってディジタル化され、画像メモリ３０２に格納
される。このため、対物レンズ１０１の視野内にある表
面１０２の一部の像が。

画像メモリ３０２に記憶されることになる。画像メモリ
３０２は、アドレス制御部３０４の指示に従い、画素デ
ータ３１０を、焦点検出部３０３に送出する。アドレス
制御部３０４では、画像メモリ３０２のアドレスを指示
するとともに、焦点検出部３０３に対し、フィルタリン
グの実行信号３０６及び、焦点を検出する画面の範囲を
指定する領域信号３０７を送出する。さらに、中央処理
袋ｆｆ１３０５に対して焦点検出処理の終了を指示する
信号３０９を送出する。

中央処理装置３０５では、焦点量３０８を焦点検出部３
０３より受は取るとともに、変位の量を算出する。

第２図は、画像メモリ３０２に格納されている画像の分
割を説明する図である。画像２００は。

第１図で示したＸ軸方向１１０に対して、２Ｍ＋１個の
領域２０に分割する。Ｘ軸方向１１０の原点−２０２は
、画像２００の中央にある領域２０３に対応している０
画像２００は、二次元のカメラ用撮像素子を用いている
が、−次元のラインセンサであってもよい、その場合は
、画像２００の横方向の大きさが１画素となる。縦方向
、即ちＸ軸方向について、同様に２Ｍ＋１個の領域に分
割すればよい。

この領域２０１に対して焦点量３０８をそれぞれ、焦点
検出部３０３において検出し、その最大となる領域の位
置（Ｘ軸方向）を中央処理装置３０５で求め、変位の量
を算出する。

第４図は、焦点検出部３０３の構成を示す図である。映
像信号３２０をもとに焦点量、即ち焦点が合っているか
どうかを示す量で、合焦点状態で最大となる量、を求め
る方式としては、従来より幾通りのもの方法が知られて
いる０例えば、特許出願公告５７−５１６４８、宮武他
による映像信号の微分値を２値化し、そのラン長の総計
を焦点量とする方法、さらに、特開昭５３−１００８４
６、嶋他による映像信号の微分値の時間平均を焦点量と
する方法などがある０本実施例では、ディジタル化した
映像信号、これを画素データ３１０と呼ぶが、画素デー
タ３１０に対し、２次元の微分的なフィルタリング処理
を行ない、そのフィルタリングの出力値の領域２０１内
の総計を焦点量とする方式を示す。もちろん、先に述べ
た２つの公知の方法による焦点量を用いてもよい。

画素データ３１０は、フィルタリング係数テーブルメモ
リ４０１に格納されている２次元機分処理を行なう係数
との乗算を乗算器４００で行ない、例えば３×３画素の
局所的なフィルタリングでは、その乗算結果の９回の加
算を、加算器４０２で実行する。加算結果は、フィルタ
リング結果レジスタ４０３に格納される。フィルタリン
グ処理の指令は、アドレス制御部３０４よりフィルタリ
ング実行信号３０６として供給される。該信号３０６は
、フィルタリング結果レジスタ４０３の更新。

初期化をおこなう、さらにフィルタリングの出力値４１
０は、領域２０１ごとに合計する必要があるため、アド
レス制御部３０４から供給される領域信号３０７に従い
、これらの出力値４１０は、加算器４０４によって加算
され、領域内の焦点量が、焦点量レジスタ４０５に格納
される。該信号３０７は焦点量レジスタ４０５の内容の
更新、初期化をおこなう。各領域の焦点量信号３０８は
、中央処理装置３０５に送出される。

第５図は、画素データ３１０より、焦点量を検出するま
でのタイムチャートを示した図である。

フィルタリング実行信号３０６がＯＮ状態の時に。

画素データ３１０が、焦点検出部３０３に入力される。

本実施例では、２次元の局所フィルタリング実行信号が
ＯＮである状態で、９個の画素データが入力される。さ
らに領域信号３０７がＯＮ状態において、フィルタリン
グの出力値４１０を加算器４０４で加算する。アドレス
制御部では領域信号３０７がＯＦＦになるとともに、そ
の領域での焦点量の検出処理は終了したとして焦点検出
終了信号３０９を中央処理装置３０５に供給する。

中央処理装置３０５では、この終了信号３０９をもとに
、焦点量３０８を読み出す。

第６図は、変位を求める手順を示す図である。

ステップ６００で、撮像素子より得られた画像を画像メ
モリ３０２に入力する。ステップ６０１で。

入力した画像に対し、領域２０１に分割する。ステップ
６０２では、各分割した領域２０１において、焦点量を
検出する。ステップ６０３で示すように、２Ｍ＋１個の
領域すべてについて焦点量が求まれば、ステップ６０４
を実行するが、そうでなければ、ステップ６０２に戻る
。ステップ６０４では、焦点量が最大となる領域の位置
Ｘを中央処理袋９３０５によって求める。これは、簡単
な最大値探索プログラムによって実行できる。さらにス
テップ６０５によって、焦点量が最大となる領域の位ｒ
１１ｘをもとに、基準奥行面からのずれ量２を算出する
。算出の方法は、予め、ｘ＝Ｍから。

ｘ＝−Ｍまで合焦点となる場合、即ち焦点量が最大とな
る場合の変位量を、変位が即知である表面に対して求め
ておき、その変位量をデータテーブルとしてプログラム
に格納して用いる方法である。

第７図は、別の実施例を説明する図である。撮像装置３
００によって得られた映像信号３２０は、微分回路７０
０によって微分され、さらに加算回路７０１でアナログ
量を算出する。加算する範囲は、領域設定部７０３より
指示される領域信号７０５がＯＮの状態である。加算回
路７０１の出力値は、アナログ・ディジタル変換回路７
０２によってディジタル量７０６として、中央処理装置
に読み込まれる。読み込みタイミングは、領域設定部７
０３から送出される焦点検出終了信号７０７で指示され
る。この実施例では、焦点量を、映像信号の微分値の総
計としており、合焦点状態で最大となる。

第８図は、本実施例で述べた微小変位検出方法を用いて
部品の表面の凸凹を検査する装置の構成である。被検査
対象部品８００の表面を撮像装置３００によって撮像す
る。部品８００の表面には８０６で示したような凸凹部
欠陥があり、この欠陥８０６を検出する。撮像装置３０
０は、対物レンズ１０１とあおり角をもたせた撮像素子
１００より構成されており、その映像信号は、アナログ
ディジタル変換器８０９でディジタル化され、焦点検出
部８１０に送られる。焦点検出部では、撮像画面の分割
領域ごどに焦点量を検出し、これらの焦点量を中央処理
袋＠８１１に送る。中央処理装置８１１では部品８００
の観測点８１６における奥行き、即ちＺ方向８１５の変
位を算出する。

さらにこの観測点における変位が所定値より小さいかど
うかを従走し、もし大きければ該部品８００は不良品と
判断する。観測点８１６は１部品８００の表面全面を走
査できるよう、撮像装［３００は、移動テーブル８０３
に保持されている。移動テーブルは、８０４及び８０５
で示した駆動モータによりＸ方向及びＹ方向に移動する
ことができ、カメラ移動制御部８１２によって制御され
る。

検査対象の部品８００，８０１，８０２は、搬送台８０
７に搭載されており、順次検査域に供給される。搬送台
８０７は、部品搬送制御部８１３によって制御され、部
品の間欠送りを行なう０部品のレジエクト部８０８は、
部品リジェクト制御部８１４により制御されており、中
央処理装置８１１によって不良と判断された部品を、搬
送台８０７により排出する。

なお、必ずしも撮像装置３００をＸＹ方向に移動させる
方法に限定する必要はなく、他の実施例として部品８０
０をＸＹ方向に移動させる方法でもよい。

第９図は、部品の表面を検査する手順を示す図である。

ステップ９００で１部品を搭載だ搬送台８０７を移動さ
せ部品を検査域に供給する。ステップ９０１では、部品
の表面のある箇所を撮像するため、撮像装置３００をＸ
Ｙ方向に移動させる。

ステップ９０２では、表面のある箇所を撮像し。

Ｚ方向の表面の微小変位を検出する。

ステップ９０３では、検出した表面のある箇所の変位と
所定値とを比較する。変位が所定値より小さければ、ス
テップ９０４に移る。また、変位が所定値より大きけれ
ば、ステップ９０７で不良と判定する。ステップ９０４
では、撮像装置１３００をＸＹ方向に移動させ、部品表
面全体の走査終らしたかどうかを判定し、もし、走査表
面があればステップ９０１に移る。表面全体の走査が終
了すると、ステップ９０５で良品と判定され、ステップ
９０６で部品を次工程に送出する。

一方、ステップ９０７で不良品と判定された部品は、ス
テップ９０８で不良品を排除する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、対物レンズと撮像素子のみで撮像全学
系が構成されているため、光学系が小型化される。また
１重力式は、対物レンズを交換することによって、顕微
鏡的な微少な変位から、風景画像の奥行まで、広い範囲
にわたる奥行情報を検出できる効果がある。さらに、対
物レンズと撮像素子を一体化して、対象表面を相対的に
平行移動させ、対象表面の各点の奥行き方向の変位を検
出することにより、対像表面の多点における奥行き位置
を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、変位検出用の光学系の構成図、第２図は、画
像の分割を説明する図、第３図は、全体構成図、第４図
は、焦点検出部の構成図、第５図は、焦点量検出のタイ
ミングを説明する図、第６図は、変位検出の手順を示す
図、第７図は、他の焦点量検出方式を説明する図、第８
図は部品表面の凹凸を検査する装置の構成図、第９図は
部品表面を検査する手順を示す図である。 １００・・・撮像素子、１０２・・・対象面、１０１・
・・対物レンズ、１１２・・・撮像素子のあおり角、２
０１・・・分割した画像領域、３ｏ３・・・焦点検出部
、３０５茗　１　　図 基輝奥行面 面　　　ヒ　　　　　　１ ズ 夏　　、ｉ　　図 ？ｐｌ、鳩′Ｊ御浮 第　　Ｓ　　図 ｊθ６ 山（倍た４ Ｔ３　　　乙　　口 第　　７　　図 不　　３　　図 １？／７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、撮像対象の表面像を絞り込む対物レンズの光軸に対
   して撮像素子を一定の角度傾け、撮像した表面画像より
   焦点状態を示す焦点量を検出し、該焦点量をもとに前記
   表面の変位を算出することを特徴とする表面微小変位検
   出方法。 ２、特許請求の範囲第１項の焦点量の検出において、画
   像を分割し、分割した各領域ごとに焦点量を検出したこ
   とを特徴とする表面の微小変位検出方法。