JPWO2020129850A1 - リニアスケールの検出値の補正方法 - Google Patents

Abstract

リニアスケールの検出値によって特定される撮像対象上の点の位置座標をより正確に補正できる方法を提供する。キャリブレーションプレート上に形成された凹部に対して定義される計測ポイントに視野を移動させて撮像し（ステップＳ１３‐１）、凹部の端縁の画像からエッジを検出し（ステップＳ１３‐２）、そのエッジの交点を算出し（ステップＳ１３‐３）、この交点のリニアスケールによる実測値を保存し（ステップＳ１３‐４）、真値と差分を用いて、撮像対象上の点のリニアスケールによって検出される位置座標を補正する。

Description

本発明は、リニアスケールの検出値の補正方法に関する。

従来、Ｘ，Ｙ方向に動くＸ‐Ｙテーブルと、それぞれの方向の移動量を測定するリニアスケールと、位置決めを行う照準装置と、正確なその位置を知られた複数のマーカが設けられた校正板と、演算装置を備えた寸法測定装置が提案されている（特許文献１参照）。

このような装置においては、Ｘ‐Ｙテーブルに校正板を載せ、複数のマーカの位置を２つのリニアスケールによって測定し、その複数の測定値及びマーカの位置を示す複数の正確な値を演算装置に記憶させる。そして、被測定部を測定するときに、この記憶された値に基づいて演算装置により測定の補正を行っている。

実開昭６２−１１９６０７号公報

上述の寸法測定装置において用いられる校正板は、歪の除去されたアルミ板等にマス目状に小さな半径を持つ孔をあけたものである。

このような校正板においては、マーカである孔の半径が小さいのでこの孔の画像の円周上の点から基準となる円の中心を抽出する際の誤差の影響が大きく出やすい。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、リニアスケールの検出値によって特定される撮像対象上の点の位置座標をより正確に補正できる方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、
リニアスケールの検出値によって撮像対象上の点の位置座標を特定する装置におけるリニアスケールの検出値の補正方法であって、
交差する端縁を有する凹部又は凸部が２次元的に配置されたキャリブレーションプレートを用いて、
前記キャリブレーションプレートに対して定義された基板座標系における前記端縁の交点の位置座標を真値として保持し、
前記キャリブレーションプレートを撮像した画像における前記凹部又は凸部の交差する端縁の画像から検出されたエッジの交点として定義される基準点の前記基板座標系における前記リニアスケールによる位置座標を実測値として取得し、
前記実測値と前記真値との差分を補正量として、前記撮像対象上の点のリニアスケールの検出値を補正することを特徴とする。

このようにすれば、キャリブレーションプレートに配置された凹部の端縁の画像から検出されるエッジの交点として基準点が定義される。キャリブレーションプレートの交差する端縁のエッジ上のある程度離間した２点を通る直線を算出し、このようにして得られた直線の交点として基準点が定義されるので、誤差の影響を小さくすることができる。よって、このようにキャリブレーションプレートを用いて、撮像対象上の点のリニアスケールの検出値を補正すれば、撮像対象上の点の位置座標をより正確に補正することができる。

また、本発明は、
前記真値取得時と前記実測値取得時とで、前記キャリブレーションプレートの温度に差がある場合に、該真値に対して該温度の差に熱膨張による変化分を補正するようにしてもよい。

このようにすれば、キャリブレーションプレートを用いたキャリブレーション実施時に、真値取得時と温度がある場合で、温度差によるキャリブレーションプレートの熱膨張を考慮した補正が可能となる。

また、本発明は、
前記真値取得値と前記実測値取得時とで、前記装置に対する位置ずれがある場合に、該真値に対して、前記位置ずれ分を補正するようにしてもよい。

このようにすれば、キャリブレーションプレートによる実測取得時に、キャリブレーションプレートが装置に対して回転又は平行移動により位置ずれをしていても、この位置ずれを考慮した補正が可能となる。

また、本発明は、
前記キャリブレーションプレートは、方形の板状部材の面に、座ぐり加工により形成された方形の前記端縁を有する前記凹部が２次元的に配置されているようにしてもよい。

このように、キャリブレーションプレートを形成すれば、凹部の端縁を撮像した際のエッジがより鮮明・明確になり、より正確な補正が可能となる。

本発明によれば、リニアスケールの検出値によって特定される撮像対象上の点の位置座標をより正確に補正できる方法の提供が可能となる。

実施例における外観検査装置の概略構成示す斜視図である。 実施例における外観検査装置を模式的に示した平面図及び一視野の拡大図である。 実施例における撮像位置算出を説明する図である。 実施例における画像処理系と視野座標系との関係を示す図である。 実施例におけるキャリブレーションプレートの構成を示す平面図である。 実施例における外観検査装置による検査の流れを示すタイムチャートである。 実施例におけるキャリブレーションの流れの概略を示すフローチャートである。 実施例におけるキャリブレーションプレートの温度取得の流れを示すフローチャートである。 実施例における計測ポイント実測値取得処理の流れを示すフローチャートである。 実施例における計測ポイント実測値取得処理を説明する図である。 実施例におけるキャリブレーションプレートの位置ずれ補正の流れを示すフローチャートである。 実施例における計測ポイントの誤差を表示するユーザインタフェース表示例である。 実施例における計測対象点の座標値の補正を説明する図である。

〔実施例１〕
以下では、本発明の実施例に係る外観検査装置１について、図面を用いて、より詳細に説明する。
図１は、外観検査装置１の主要部の概略構成を示す斜視図である。外観検査装置１は、主として、検査対象物を撮像するカメラ２を含む撮像ユニット３をＸ軸方向に移動可能に支持する架台４と、架台４をＹ軸方向に駆動するボールねじ５と、ボールねじ５に駆動される架台４をＹ軸方向に案内するガイド６と、それらを支持するフレーム７とを備える。フレーム７のＹ軸方向に延びるボールねじ支持部７ａには、ボールねじ５に平行に架台４の位置を検出するリニアスケール８が設けられている。そして、同じくフレーム７のＹ軸方向に延びるガイド支持部７ｂには、架台４に設けられたスライダーを案内するレールに平行に架台４の位置を検出するリニアスケール９が設けられている。また、Ｘ軸方向に延びる架台４に沿って、撮像ユニット３の位置を検出するリニアスケール１０が設けられている。
これらのリニアスケール８，９，１０は、それぞれフレーム７及び架台４に沿って配置された被検出部と、架台４及び撮像ユニット３に設けられた検出部とからなり、検出部が、被検出部に対する位置情報を検出する。

図１の外観検査装置１においては、撮像ユニット３には下方に向けて視野を有するカメラ２が設けられている。検査対象物は、カメラ２の下方には、検査対象物をＸ軸方向に搬送するコンベアが配置される。コンベアによって外観検査装置１外から搬入された検査対象物は、カメラ２の下方で停止し、所定位置でクランプされる。そして、検査が終了すると検査対象物は、カメラ２の下方から外観検査装置１外へとコンベアによって搬送される。

検査対象物として基板１１を例に、検査対象物上の点Ｐの座標値を求める方法について説明する。
図２（Ａ）は、基板１１が所定位置に配置された外観検査装置１の鉛直上方から見た状態を模式的に示した図である。Ｙ軸方向に平行にボールねじ５及びリニアスケール８並びにガイド６及びリニアスケール９が配置されている。また、Ｙ軸方向に交差する方向に、撮像ユニット３を支持する架台４が位置している。図２（Ａ）において、点１２が基板１１に対して定義された基板座標系原点である。また、点１３は、撮像系軸位置であり、ここではカメラ２の光軸の位置である。図２の破線で囲った領域１４がカメラ２の視野であり、この視野１４には基板１１上の点Ｐが含まれている。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）において破線で囲まれた一視野１４を拡大して示した図である。ここでは、点１５は、視野座標系原点であり視野中心を（０，０）とする。この視野座標系原点１５は撮像系軸位置１３に一致する。

本実施例では、基板１１上の点Ｐの、基板座標系原点を（０，０）とした基板座標系における位置を、Ｐ＝撮像系軸位置＋視野内検出座標として算出する。
図３を参照して、リニアスケール補正を行う場合の、撮像系軸位置１５の算出について説明する。実線の矢印が基板座標系、破線の矢印が機械座標系を示す。ここでは、点１６が、機械座標系原点である。１７はモータを示す。
図３において、ｙ１（μｍ）、ｙ２（μｍ）はそれぞれリニアスケール８，９の計測値を示す。ｘ１（μｍ）はリニアスケール１０の計測値を示す。ｗ（μｍ）はリニアスケール８，９間の距離を示す。ここでは、リニアスケール８，９，１０の計測値は、基板座標系において基板座標系原点を（０，０）とする（機械座標系原点を（０，０）としてもよい。）。このとき、撮像系軸位置を（ｘ´（μｍ），ｙ´（μｍ））は、次の式（１）により算出される。
ｙ´＝ｙ２−（ｙ２−ｙ１）×（ｘ１／ｗ）
ｘ´＝ｘ１
ただし、ｘ´はｗに対してｙ２−ｙ１が小さい場合には、ｘ´≒ｘ１となるため、ｘ´＝ｘ１と近似している。

次に、図４を参照して、視野内検出座標の、画像処理系から視野座標系への変換について説明する。視野内座標の算出について説明する。ここで、図４は、図２（Ｂ）に示した一視野１４を示す。実線の矢印が視野座標系、破線の矢印が画像処置座標系を示す。点１８は、画像処理系原点であり、視野の左上を（０，０）とする。
ここで、ｘ（ｐｉｘｅｌ）を画像処理系Ｘ座標とし、ｙ（ｐｉｘｅｌ）を画像処理系Ｙ座標とする。そして、ｘ´（μｍ）を機械座標系Ｘ座標、ｙ´（μｍ）を機械座標系Ｙ座標とする。また、ｗｉｄｔｈ（ｐｉｘｅｌ）を視野画像の横幅、ｈｅｉｇｈｔ（ｐｉｘｅｌ）を視野画像の縦幅とし、αをカメラ２の分解能（例えば、６μｍ又は１０μｍ）とする。
このとき、視野座標系へは次の式（２）により変換される。ただし、式（２）では、視野内の座標変換のみを行っており、機械座標系原点からの距離は式（１）を併せて算出する。
ｘ´＝（ｘ−ｗｉｄｔｈ／２）×α
ｙ´＝｛（ｈｅｉｇｈｔ−ｙ）−ｈｅｉｇｈｔ／２｝×α

図５は、外観検査装置１のキャリブレーションに使用するキャリブレーションプレート２０の平面図である。キャリブレーションプレート２０は、熱膨張係数が小さい材料、例えばＳＵＳ３０４により形成された、縦５１０ｍｍ、横４６０ｍｍの方形の板状部材である。キャリブレーションプレート２０の表面２０１（カメラ２に対向する面）には、キャリブレーションプレート２０の端辺２０２，２０３に平行な端縁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを有する方形の凹部２１が複数（図５では１６個）設けられている。この凹部２１は、例えば、例えば、座ぐり加工により形成することができ、キャリブレーションプレート２０の表面側の凹部２１の端縁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄには切り立ったエッジが形成されている。なお、キャリブレーションプレート２０の表面に、キャリブレーションプレート２０の端辺に平行な格子状の溝を形成することにより、方形の凸部を複数設けるようにしてもよい。この場合も、キャリブレーションプレート２０の表面側の凸部の端縁には切り立ったエッジが形成される。
なお、キャリブレーションプレート２０の材料としては、ＳＵＳ等の金属以外に、セラミック粉体を成形し焼成して得られたセラミックスを用いることもできる。セラミック製の板状部材を、ダイヤモンド焼結体工具等を用いて切削加工することにより、キャリブレーションプレート２０の表面側の凹部２１の端縁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの切り立ったエッジを高精度で形成することができる。セラミックによって形成することで、ＳＵＳに比して、剛性、化学的安定性、耐摩耗性が高く、熱膨張による変形が少ないキャリブレーションプレート２０を得ることができる。このようなキャリブレーションプレート２０は、錆びず、疵や打痕による変形が発生しないので、高精度のキャリブレーション２０が可能となる。
また、キャリブレーションプレート２０の材料としてプラスチック等の合成樹脂を用いても、１０μｍ程度までの加工精度を実現することができ、安価かつ破損しづらいキャリブレーションプレート２０を形成することができる。

ここで、図６に示すタイムチャートにより、外観検査装置１による検査の流れを説明する。

まず、コントローラからサーボドライバに対して位置指令を送信する（ステップＳ１）。これの位置指令を受けたサーボドライバでは、サーボモータを駆動して架台４及び撮像ユニット３を移動させ、所定の位置への移動が完了するとサーボドライバからコントローラにその旨が送信される（ステップＳ２）。
そして、コントローラは、所定位置におけるリニアスケール値を、リニアスケール８，９，１０から読み取る（ステップＳ３）。
次に、コントローラから撮像ユニット３に対して撮像指令が送信される（ステップＳ４）。撮像ユニット３よる撮像が行われると露光完了の旨が撮像ユニット３からコントローラに送信される（ステップＳ５）。
ステップＳ１からステップＳ５までの処理が、全視野に対する撮像が完了するまで繰り返される。
コントローラでは、リニアスケール８，９，１０の読取値を記憶部の所定領域に保存する（ステップＳ６）。ここで、検査は完了する（ステップＳ７）。
次に、コントローラは、撮像ユニット３の画像処理部から、検出座標値を読み込む（ステップＳ８）。このとき、撮像ユニット３の画像処理部では、検出座標＝撮像系軸位置＋視野内検出座標とする視野内座標の補正計算が行われている（ステップＳ９）。

次に、上述のキャリブレーションプレート２０を使用したキャリブレーションの流れについて説明する。図７は、キャリブレーションの流れの概略を示す。この処理は、例えば、組立調整時又は定期点検時に外観検査装置１の操作パネル上から、操作者が指示を入力することにより、キャリブレーションモードを選択した場合に行われる。

まず、キャリブレーションプレート２０の温度変化による熱膨張の補正処理のための温度を取得する（ステップＳ１１）。このサブルーチンの詳細について、図８に従って説明する。まず、キャリブレーションプレート２０の温度を温度測定手段、例えば非接触温度計によって計測する（ステップＳ１１‐１）。測定されたキャブレーションプレートの温度は、操作パネルから入力して所定の記憶領域に記憶させる（ステップＳ１１‐２）。このようにして取得された温度データは温度変化による熱膨張の補正に使用される。
ここで、熱膨張により変化する距離は以下の式（３）で算出される。
熱膨張変化距離（μｍ）＝熱膨張係数×真値計測時との温度差（度）×キャリブレーションプレート２０端原点からの距離（ｍｍ）÷１０００
例えば、このキャリブレーション時のキャリブレーションプレート２０の温度が２２．０度で、キャリブレーションプレート２０の真値測定時の温度が２４．０度とする。また、キャリブレーションプレート２０が、ＳＵＳ３０４で形成されている場合には、熱膨張係数は１７．３となる。また、キャリブレーションプレート２０端原点からの距離が４５０ｍｍとすると、熱膨張による変化分としての熱膨張変化距離の値は次のようになる。
１７．３×（−２）×４５０÷１０００＝−１５．５７μｍ
なお、キャリブレーション中の温度変化は±０．１度以内とすることが望ましい。

次に、キャリブレーションプレート２０をコンベアによって外観検査装置１内、すなわち、カメラ２の下方に搬入される（ステップＳ１２）。

次に、計測ポイント実測値取得処理を行う（ステップＳ１３）。この計測ポイント実測値取得処理サブルーチンの詳細について、図９に従って説明する。
図１０（Ａ）の破線の矢印に従い、プラスで示す点２２（基準点）を視野に含むように撮像ユニット３を移動させて撮像する（ステップＳ１３‐１）。図１０（Ａ）では左上のプラスで示す点のみ符号を付しているが、他のプラスで示す点も同様である。このときのカメラ２の視野画像の例を図１０（Ｂ）に示す。図１０（Ｂ）に示すように、互いに交差する凹部２１の端縁２１ａ，２１ｂが視野内に入るようにカメラ２を移動させる。そして、撮像された画像からエッジを検出する（ステップＳ１３‐２）。次に、外観検査時と同様にリニアスケール８，９，１０により、検出されたエッジの交点（計測ポイント）２２を算出し（ステップＳ１３‐３）、その座標値をファイルに保存しておく（ステップＳ１３‐４）。ここでは、計測ポイント２２が、エッジの交点として定義される基準点に相当する。

図７に戻って、この後、コンベアによって、キャリブレーションプレート２０を外観検査装置１外に搬出する（ステップＳ１４）。

次に、キャリブレーションプレート２０の位置ずれ補正を行う（ステップＳ１５）。キャリブレーションプレート２０の位置ずれ補正処理サブルーチンの詳細について、図１２に従って説明する。
まず、キャリブレーションプレート２０の左下、右下の計測ポイント（図１０（Ａ）に点線で表記した円で囲んで示す）を使用して、次の式（４）によりキャリブレーションポイントの回転角θを求める（ステップＳ１５‐１）。
θ（ｒａｄ）＝ａｒｃｔａｎ｛（右下計測ポイントのＹ座標値−左下計測ポイントのＹ座標値）／（右下計測ポイントのＸ座標値−右下計測ポイントのＸ座標値）｝

先に、式（３）により真値計測時とキャリブレーション時の温度変化を考慮したキャリブレーションプレート２０の真値（Ｘ，Ｙ座標）を次式（５）で補正する（ステップＳ１５‐２）。
Ｘ´＝Ｘｃｏｓθ−Ｙｓｉｎθ
Ｙ´＝Ｘｓｉｎθ＋Ｙｃｏｓθ

次に、次式（６）により、真値を、式（５）で求めたキャリブレーションプレート２０の左下計測ポイントの座標値（Ｘ´，Ｙ´）を基準に基板座標系にオフセットする（ステップＳ１５‐３）。
Ｘ´´＝Ｘ´＋キャリブレーションプレート左下計測ポイント（Ｘ´）
Ｙ´´＝Ｙ´＋キャリブレーションプレート左下計測ポイント（Ｙ´）

図７に戻って、次に、式（６）により求めたＸ´´，Ｙ´´（キャリブレーションプレート２０の真値）と先にファイルに保存した値と差を取り保存する（ステップＳ１６）。

図１２に、回転や位置ずれを補正したキャリブレーションプレート２０の計測ポイントの真値とステップＳ１３−４で保存した実測値と差を誤差として表示したユーザインタフェースの例を示す。図１２には、このようにして取得された誤差が誤差テーブルとして表示される。このような誤差を表示することで、外観検査装置１における停止精度を確認することができる。また、Ｘ軸、Ｙ軸に問題があり正常に動作できない場合や、撮像ユニットの組み付けが悪い場合には誤差が大きくなるので、これらの機構各部の調整の指標として利用することができる。

図７に示したキャリブレーションプレート２０によるキャリブレーションを経て、図６に示す外観検査時におけるステップＳ９による計測対象点の検出座標に対する補正処理の具体例について説明する。
図１３を参照して、外観検査時における計測対象点ｍ（破線のプラスで表記）のＸＹ座標値に対する補正値の算出式（７）を以下に示す。ここで、キャリブレーション時に計測ポイントａ，ｂ，ｃ，ｄで撮像したときの補正値をそれぞれＣ（ａ），Ｃ（ｂ），Ｃ（ｃ），Ｃ（ｄ）とし、計測対象点ｍで撮像したときの補正値をＣ（ｍ）とし、＿Ｘ，＿ＹはそれぞれのＸ，Ｙ座標値を示す。また、計測ポイントａ〜ｃのＸＹ座標は、ｃを（０，０）として正規化する。なお、計測対象点の周囲に、計測ポイントが２点又は２点しかない場合には、同様の計算を２点又は１点について行う。
Ｃ（ｍ）＿Ｘ＝（１−ｍ＿Ｘ）（０＋ｍ＿Ｙ）Ｃ（ａ）＿Ｘ＋
（０＋ｍ＿Ｘ）（０＋ｍ＿Ｙ）Ｃ（ｂ）＿Ｘ＋
（１−ｍ＿Ｘ）（１−ｍ＿Ｙ）Ｃ（ｃ）＿Ｘ＋
（０＋ｍ＿Ｘ）（１−ｍ＿Ｙ）Ｃ（ｄ）＿Ｘ
Ｃ（ｍ）＿Ｙ＝（１−ｍ＿Ｘ）（０＋ｍ＿Ｙ）Ｃ（ａ）＿Ｙ＋
（０＋ｍ＿Ｘ）（０＋ｍ＿Ｙ）Ｃ（ｂ）＿Ｙ＋
（１−ｍ＿Ｘ）（１−ｍ＿Ｙ）Ｃ（ｃ）＿Ｙ＋
（０＋ｍ＿Ｘ）（１−ｍ＿Ｙ）Ｃ（ｄ）＿Ｙ

このようにすれば、リニアスケール８，９，１０の相対的な傾きやずれが生じた場合でも、外観検査装置１によって、計測対象物上の計測対象点の、リニアスケールによる検出値をより正確に補正することができる。計測ポイントを凹部２１の端縁２１ａ〜２１ｃを撮像した画像から検出されたエッジの交点としているので、凹部の端縁を適切な長さに設定することができるので、交点算出時の誤差の影響を低減することができ、計測対象点の位置座標の補正をより正確に行うことができる。

なお、以下には本発明の構成要件と実施例の構成とを対比可能とするために、本発明の構成要件を図面の符号付きで記載しておく。
＜発明１＞
リニアスケール（８，９，１０）の検出値によって撮像対象上の点の位置座標を特定する装置（１）におけるリニアスケール（８，９，１０）の検出値の補正方法であって、
交差する端縁（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）を有する凹部（２１）又は凸部が２次元的に配置されたキャリブレーションプレート（２０）を用いて、
前記キャリブレーションプレート（２０）に対して定義された基板座標系における前記端縁の交点の位置座標を真値として保持し、
前記キャリブレーションプレート（２０）を撮像した画像における前記凹部（２１）又は凸部の交差する端縁（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）の画像から検出されたエッジの交点として定義される基準点（２２）の前記基板座標系における前記リニアスケール（８，９，１０）による位置座標を実測値として取得し、
前記実測値と前記真値との差分を補正量として、前記撮像対象上の点のリニアスケール（８，９，１０）の検出値を補正することを特徴とする。

１：外観検査装置、２：カメラ、８，９，１０：リニアスケール、１２：基板座標系原点、Ｐ：基板上の点、２０：キャリブレーションプレート、２１：凹部、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ：端縁、２２：計測ポイント

Claims (4)

1. リニアスケールの検出値によって撮像対象上の点の位置座標を特定する装置におけるリニアスケールの検出値の補正方法であって、
   交差する端縁を有する凹部又は凸部が２次元的に配置されたキャリブレーションプレートを用いて、
   前記キャリブレーションプレートに対して定義された基板座標系における前記端縁の交点の位置座標を真値として保持し、
   前記キャリブレーションプレートを撮像した画像における前記凹部又は凸部の交差する端縁の画像から検出されたエッジの交点として定義される基準点の前記基板座標系における前記リニアスケールによる位置座標を実測値として取得し、
   前記実測値と前記真値との差分を補正量として、前記撮像対象上の点のリニアスケールの検出値を補正することを特徴とするリニアスケールの検出値の補正方法。
2. 前記真値取得時と前記実測値取得時とで、前記キャリブレーションプレートの温度に差がある場合に、該真値に対して該温度の差に熱膨張による変化分を補正することを特徴とする請求項１に記載のリニアスケールの検出値の補正方法。
3. 前記真値取得値と前記実測値取得時とで、前記装置に対する位置ずれがある場合に、該真値に対して、前記位置ずれ分を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアスケールの検出値の補正方法。
4. 前記キャリブレーションプレートは、方形の板状部材の面に、座ぐり加工により形成された方形の前記端縁を有する前記凹部が２次元的に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリニアスケールの検出値の補正方法。

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