KR20110126669A - 3차원 형상 계측 장치, 3차원 형상 계측 방법 및 3차원 형상 계측 프로그램 - Google Patents

3차원 형상 계측 장치, 3차원 형상 계측 방법 및 3차원 형상 계측 프로그램 Download PDF

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Abstract

계측 레인지를 유지하면서, 계측 가능한 높이를 간편하게 확장한다. 계측 대상에 투영된, 위치에 응하여 주기적으로 휘도가 변화하는 광 패턴을 해석함에 의해, 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 시스템은, 계측 대상의 높이의 기준면을 갖는 부착대에 계측 대상이 부착되고, 계측 헤드가 계측 대상 및 기준면에 광 패턴을 투영하여 촬상하고, 변위부가 계측 헤드를 높이 방향으로 변위시킨다. 촬상된 화상의 어떤 화소에서의 광 패턴의 위상을 위상 산출부(75)가 산출하고, 산출된 위상에 의거하여 높이 산출부(77)가 계측 대상의 높이를 산출하고, 산출된 높이에 의거하여 이송량 산출부(78)가 변위부를 변위시켜야 할 변위량을 산출한다. 높이 산출부(77)는, 위상 산출부(75)가 산출한 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 계측 대상의 높이를 산출한다.

Description

3차원 형상 계측 장치, 3차원 형상 계측 방법 및 3차원 형상 계측 프로그램{THREE-DIMENSIONAL SHAPE MEASURING DEVICE, THREE-DIMENSIONAL SHAPE MEASURING METHOD, AND THREE-DIMESSIONAL SHAPE MEASURING PROGRAM}
본 발명은, 계측 대상에 투영된 광 패턴을 해석함에 의해, 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 장치, 3차원 형상 계측 방법 및 3차원 형상 계측 프로그램에 관한 것이다.
화상 해석에 의해 대상물의 3차원 형상 정보를 얻는 수단으로서, 소정의 촬상 시야 내에 존재하는 계측 대상에 광 패턴을 투영하고, 계측 대상의 3차원 형상에 응하여 변형한 광 패턴의 변형량을 해석하는 방법이 존재한다. 대표적인 방법으로서는, 광 절단법이나 공간 코드법, 호 해석법 등을 들 수 있다. 이들은 전부 삼각측량의 원리에 의거하고 있지만, 그 중에서도, 호 해석법에 관해서는 공간 호 해석이나 시간 호 해석 등 많은 수법이 제안되어 있고, 높은 계측 정밀도를 얻는 수법으로서 알려져 있다(특허 문헌 1 내지 3, 비특허 문헌 1).
상술한 방법의 경우, 광 패턴을 투영하는 투광 장치와, 계측 대상이 재치되는 평면인 기준면과, 계측 대상을 촬영하는 촬영 장치와의 기하학적 위치 관계가 높이 위치의 측정 정밀도에 영향을 미치게 된다. 이 점에 관해 도 15를 참조하여 설명한다.
도 15는, 삼각측량의 원리를 도시하는 도면이다. 설명을 간단하게 하기 위해, 기준면(P0)과 수직한 광축을 갖는 촬영 장치(Cc)에 의해, 기준면(P0)으로부터의 높이가 h인 평면(Ph)을 관측하는 경우를 생각한다. 또한, 투광 장치(Cp)는, 기준면(P0)으로부터 보아 촬영 장치(Cc)와 같은 높이에 배치되고, 광 패턴을 기준면(P0)상의 점(O)의 위치를 향하여 투영하는 것으로 한다.
기준면(P0)과 평행하며, 높이(h)만큼 떨어진 평면(Ph)을 관측하는 경우, 점(O)을 향하는 광 패턴은 점(P)과 교차한다. 이 때, 촬영 장치(Cc)로부터 보면, 기준면(P0)에 향하여 투영된 광 패턴은, 광축(Z축)부터 거리(PQ)의 위치(P)에 관측되게 된다. 이 위치 어긋남(PQ)이 광 패턴의 위상차(位相差)가 되어 나타난다. 위상차를 산출할 수 있으면, 다음의 식(1)에 의해 높이(h)를 산출할 수 있다.
Figure pct00001
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 「특개2002-286433호 공보(2002년 10월 03일 공개)」 특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 「특개2004-117186호 공보(2004년 04월 15일 공개)」 특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 「특개2007-114071호 공보(2007년 05월 10일 공개)」 특허 문헌 4 : 일본 공개특허공보 「특개2002-214147호 공보(2002년 07월 31일 공개)」 특허 문헌 5 : 일본 공개특허공보 「특개2005-300512호 공보(2005년 10월 27일 공개)」
비특허 문헌 1 : 후지가키 등 「복수 라인 센서에 의한 연속 물체 형상 계측에 있어서의 평행 광격자 투영 수법」, 정밀공학회 추계대회 학술강연회 강연 논문집 pp. 1061-1062, 2004
그러나, 상기 위상차는, 통상, 본래의 위상차를 2π로 나눗셈한 나머지로서 산출된다. 이 때문에, 계측 가능한 위상차의 범위는, 2π로 한정되게 되고, 계측 가능한 높이의 범위(계측 레인지)가 한정되게 된다.
그래서, 계측 가능한 높이를 확장하는 방법이 몇가지가 제안되어 있다. 하나의 방법으로서는, 광 패턴의 주기를 길게 하는 방법을 들 수 있다. 그 주기가 길어지면, 1주기에 대응하는 위치 어긋남(PQ)이 길어지기 때문에, 상기 계측 레인지가 넓어지게 된다.
그러나, 상기한 방법에서는, 상기 위상차의 분해능이 같으면, 위치 어긋남(PQ)의 분해능(식별 가능한 최소치)이 길어지고, 상기 높이의 분해능이 길어진다. 즉, 상기 높이의 정밀도가 저하되게 된다. 이 문제점을 회피하는데는, 상기 위상차의 분해능을 향상시키면 좋지만, 고가의 광학계가 필요하게 되고, 또한 교정에 수고가 들게 된다.
그 밖의 방법으로서는, 새로운 변위 센서를 이용하여 계측 대상이 대략적인 형상을 계측하고, 그 형상에 의거하여 상기 계측 레인지를 변경함에 의해, 계측 가능한 높이를 확장하는 것을 들 수 있다. 그러나, 이 경우, 새로운 변위 센서를 마련하여 교정할 필요가 있어서, 계측을 위한 비용 및 수고가 증가하게 된다.
본 발명은, 상기한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로 그 목적은, 계측 레인지를 유지하면서, 계측 가능한 높이를 간편하게 확장할 수 있는 3차원 형상 계측 장치 등을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관한 3차원 형상 계측 장치는, 계측 대상에 투영된, 위치에 응하여 주기적으로 휘도가 변화하는 광 패턴을 해석함에 의해, 상기 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 장치로서, 상기 과제를 해결하기 위해, 상기 계측 대상의 높이의 기준이 되는 기준면을 가지며,상기 계측 대상이 부착되는 부착대와, 상기 계측 대상 및 상기 기준면에 상기 광 패턴을 투영하고, 투영한 광 패턴을 촬상하는 계측 헤드와, 상기 부착대 및 상기 계측 헤드의 적어도 한쪽의 상기 계측 대상의 높이 방향으로의 변위를 행하게 하는 변위부와, 상기 계측 헤드가 촬상한 화상에 포함되는, 어떤 화소에서의 상기 광 패턴의 위상을 산출하는 위상 산출 수단과, 그 위상 산출 수단이 산출한 위상에 의거하여, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 높이 산출 수단과, 그 높이 산출 수단이 산출한 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 변위부를 제어하는 변위부 제어 수단을 구비하고 있고, 상기 높이 산출 수단은, 상기 위상 산출 수단이 산출한 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 부착대의 기준면부터 상기 계측 헤드까지의 높이의 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명에 관한 3차원 형상 계측 방법은, 계측 대상에 투영된, 위치에 응하여 주기적으로 휘도가 변화하는 광 패턴을 해석함에 의해, 상기 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 장치의 3차원 형상 계측 방법으로서, 상기 과제를 해결하기 위해, 상기 계측 대상과, 그 계측 대상이 부착된 부착대가 가지며, 또한 상기 계측 대상의 높이의 기준이 되는 기준면에 상기 광 패턴을 투영하고, 투영한 광 패턴을 촬상하는 계측 헤드가 촬상한 화상에 포함되는, 어떤 화소에서의 상기 광 패턴의 위상을 산출하는 위상 산출 스텝과, 그 위상 산출 스텝에서 산출된 위상에 의거하여, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 높이 산출 스텝과, 그 높이 산출 스텝에서 산출된 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 부착대 및 상기 계측 헤드의 적어도 한쪽을 상기 계측 대상의 높이 방향으로 변위시키는 변위부를 제어하는 변위부 제어 스텝을 포함하고 있고, 상기 높이 산출 스텝은, 상기 위상 산출 스텝에서 산출된 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 부착대의 기준면부터 상기 계측 헤드까지의 높이의 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 구성 및 방법에 의하면, 어떤 화소에서의 광 패턴의 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 부착대의 기준면부터 계측 헤드까지의 높이의 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 계측 대상의 높이를 산출하고 있다. 그리고, 산출된 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 부착대 및 상기 계측 헤드의 적어도 한쪽을 상기 계측 대상의 높이 방향으로 변위시키고 있다.
일반적으로, 3차원 형상 계측 장치의 교정을 행하기 위해, 상기 부착대의 기준면부터 상기 계측 헤드까지의 상기 높이 방향의 거리(높이)가 조정 가능하게 되어 있다. 즉, 일반적으로, 3차원 형상 계측 장치에는, 상기 계측 헤드 및/또는 상기 부착대를 상기 높이 방향으로 조정하는 높이 조정 기구가 마련되어 있다.
이 높이 조정 기구를, 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 계측 헤드 및/또는 상기 부착대를 상기 높이 방향으로 변위하도록 제어되는 변위부로 변경함에 의해, 계측 레인지를 상기 높이 방향으로 용이하게 변위시킬 수 있다. 또한, 상기 변위부의 교정은, 종래의 교정과 함께 행할 수 있기 때문에, 교정의 수고의 증대를 억제할 수 있다.
그리고, 상기 위상에 의거하여 산출된 높이를, 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 높이를 계측하기 위한 새로운 센서를 마련하는 일 없이, 계측 대상의 정확한 높이를 산출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 상기 계측 레인지를 유지하면서, 계측 가능한 높이를 간편하게 확장할 수 있다.
또한, 상기 계측 대상은, 상기 기준면에 부착되어도 좋고, 상기 기준면에서 이간하여 부착되어도 좋다. 또한, 상기 변위부는, 상기 계측 헤드를 높이 방향으로 변위시키는 것이 바람직하지만, 상기 부착대를 높이 방향으로 변위시켜도 좋고, 상기 계측 헤드 및 상기 부착대의 양쪽을 높이 방향으로 변위시켜도 좋다.
또한, 상기 3차원 형상 계측 장치에서의 각 스텝을, 3차원 형상 계측 프로그램에 의해 컴퓨터에 실행시킬 수 있다. 또한, 상기 3차원 형상 계측 프로그램을 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기억시킴에 의해, 임의의 컴퓨터상에서 상기 3차원 형상 계측 프로그램을 실행시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 3차원 형상 계측 장치는, 종래의 높이 조정 기구를, 계측 대상의 높이에 의거하여, 계측 헤드 및/또는 부착대를 상기 높이 방향으로 변위하도록 제어되는 변위부로 변경함에 의해, 계측 레인지를 상기 높이 방향으로 용이하게 변위할 수가 있어서, 교정의 수고의 증대를 억제할 수 있음과 함께, 위상에 의거하여 산출된 높이를, 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 높이를 계측하기 위한 새로운 센서를 마련하는 일 없이, 상기 계측 대상의 정확한 높이를 산출할 수 있기 때문에, 상기 계측 레인지를 유지하면서, 계측 가능한 높이를 간편하게 확장할 수 있다는 효과를 이룬다.
본 발명의 또한 다른 목적, 특징 및 우수한 점은, 이하에 나타내는 기재에 의해 충분히 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 이익은, 첨부 도면을 참조한 다음의 설명으로 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태인 3차원 형상 계측 시스템에서의 제어 유닛의 주요부 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 상기 3차원 형상 계측 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면이고, 계측 대상의 계측을 행하는 양상을 도시하는 도면.
도 3은 상기 3차원 형상 계측 시스템의 주요부를 확대하여 도시하는 도면.
도 4는 상기 3차원 형상 계측 시스템의 주요부 구성을 도시하는 블록도.
도 5는 상기 3차원 형상 계측 시스템의 투광 유닛이 투영하는 광 패턴의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 계측 대상의 형상을 도시하는 도면으로, (a)는 상면도, (b)는 측면도.
도 7은 상기 계측 대상에 광 패턴을 투영한 경우에, 상기 계측 대상에 투영된 광 패턴의 왜곡을 도시하는 도면으로, (a)는 상면도, (b)는 기준면에서의 휘도 변동과 볼록부에서의 휘도 변동을 도시하는 파형도.
도 8의 (a)는 광 패턴을 투영한 상태의 상기 라인 화상의 한 예를 도시하는 도면, (b)는 상기 대조 라인 화상의 한 예를 도시하는 도면.
도 9는 상기 3차원 형상 계측 시스템의 계측 헤드의 움직임을, 계측 대상의 예로서 기판을 이용하여 도시하는 개요도.
도 10은 상기 기판의 단면도로서, (a)는 상기 3차원 형상 계측 시스템에서의 계측 레인지의 변화의 양상을 도시하는 도면, (b)는 종래의 3차원 형상 계측 시스템에서의 계측 레인지의 변화의 양상을 도시하는 도면.
도 11은 계측 모드에서 상기 제어 유닛이 행하는 처리 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 12는 본 발명의 다른 실시 형태인 3차원 형상 계측 시스템에서의 제어 유닛의 주요부 구성을 도시하는 블록도.
도 13은 상기 기판의 단면도로서, 상기 3차원 형상 계측 시스템에서의 계측 레인지의 변화의 양상을 도시하는 도면.
도 14는 계측 모드에서 상기 제어 유닛이 행하는 처리 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 15는 삼각측량의 원리를 설명하기 위한 도면.
[실시의 형태 1]
본 발명의 한 실시 형태에 관해 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한다. 도 2는, 본 발명의 한 실시 형태에 관한 3차원 형상 계측 시스템(3차원 형상 계측 장치)(10)의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)은, 반송 유닛(11)의 반송 테이블(41)에 재치된 계측 대상(12)에 대해 투광 유닛(13)으로부터 광 패턴(14)을 투영하고, 계측 대상(12)에 투영된 광 패턴(14)을 촬상 유닛(촬영 장치)(15)이 촬영하고, 촬영된 광 패턴(14)의 형상을 제어 유닛(16)이 해석하고, 이것을, 반송 유닛(11)에 의해 계측 대상(12)을 이동시켜서 반복함에 의해, 계측 대상(12) 전체의 3차원 형상을 계측하는 것이다. 계측되는 3차원 형상의 예로서는, 계측 대상(12)의 표면에 마련된 오목부의 속깊이나 볼록부의 높이 및 그들의 위치 등을 들 수 있다. 3차원 형상 계측 시스템(10)의 사용 용도는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 실장 기판을 검사하는 장치 등에 적용할 수 있다.
또한, 이하에서는, 반송 테이블(41)의 반송 방향(도 2의 화살표로 나타내는 방향)을 y축 방향으로 하고, 반송 테이블(41)에 수직한 방향, 즉 높이 방향을 z축 방향으로 한다.
도 4는, 3차원 형상 계측 시스템(10)의 주요부 구성을 도시하는 블록도다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 3차원 형상 계측 시스템(10)은, 반송 유닛(11), 투광 유닛(13), 촬상 유닛(15) 및 제어 유닛(16)을 구비하고 있다.
투광 유닛(13)은, 상술한 바와 같이, 계측 대상(12)의 표면에 광 패턴(14)을 투영하기 위한 것이다. 또한, 투광 유닛(13)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 할로겐 램프나 크세논 램프 등의 광원(31), 광원(31)으로부터 조사된 광의 일부를, 패턴을 갖는 광으로 변환하기 위한 패턴 생성 소자(32) 및 매크로 렌즈 등의 광학계(33)를 구비하고 있다.
투영하는 광 패턴(14)으로서는, 정현파, 삼각파, 또는 구형파 등, 위치에 응하여 주기성을 가지며, 또한 위상을 특정할 수 있는 임의의 패턴을 이용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 계측 분해능의 향상에 기여하는 정현파 형상의 광 패턴(14)을 이용하는 것으로 한다. 또한, 패턴 생성 소자(32)로서는, 액정 소자에 의해 구성된 것이나, 유리 또는 필름을 가공한 것 등을 이용할 수 있다.
촬상 유닛(15)은, 상술한 바와 같이, 광 패턴(14)이 투영된 계측 대상(12)을 판독하고, 그 화상을 취득하는 것이다. 또한, 촬상 유닛(15)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 라인 센서(34)와, 매크로 렌즈 등의 광학계(35)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 4개의 라인 센서(34)가 이용되고 있다.
반송 유닛(11)은, 라인 센서(34)의 주(主)주사 방향(길이 방향) 및 그 주주사 방향과 수직한 방향(이하 「부주사 방향」이라고 칭한다)으로 계측 대상(12)을 수평 이동시키기 위한 것이다. 또한, 반송 유닛(11)은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 계측 대상(12)을 재치하기 위한 반송 테이블(41)과, 반송 테이블(41)을 구동하는 서보 모터(42)를 구비하고 있다. 또한, 반송 유닛(11)은, 반송 테이블(41)의 위치를 검출하는 리니어 스케일러(43) 등을 구비하여도 좋다.
반송 유닛(11)에 의해 계측 대상(12)을 부주사 방향으로 이동시키면서 라인 센서(34)에 의해 순서대로 촬상함에 의해, 계측 대상(12) 전체의 3차원 형상을 계측하는 것이 가능해진다. 또한, 계측 대상(12)이 라인 센서(34)의 촬상 범위보다도 주주사 방향으로 넓은 경우에는, 반송 유닛(11)에 의해 계측 대상(12)을 주주사 방향으로 이동시켜서 라인 센서(34)에 의해 순서대로 촬상하면 좋다.
제어 유닛(16)은, 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 각종 유닛을 통괄적으로 제어하는 것이다. 구체적으로는, 제어 유닛(16)은, 반송 유닛(11), 투광 유닛(13) 및 촬상 유닛(15)을 제어하여, 촬상 유닛(15)에 의해 촬상된 화상에 포함되는 광 패턴(14)을 호 해석법에 의해 해석하고, 계측 대상(12)의 3차원 형상을 산출하는 것이다.
또한, 본 실시 형태에서는, 투광 유닛(13) 및 촬상 유닛(15)이 계측 헤드(17)로서 일체로 마련되고, 계측 헤드(17)를 z축 방향(높이 방향)으로 이동시키는 z축 이송 기구(변위부)(18)가 마련되어 있다. 그리고, 제어 유닛(16)은, z축 이송 기구(18)에 지시하여, 계측 헤드(17)의 높이를 제어하고 있다.
계측 헤드(17)의 구성으로서는, 투광 유닛(13) 및 촬상 유닛(15)이 어떤 기체(도시 생략)에 마련되고, 그 기체가 z축 이송 기구(18)에 의해 높이 방향으로 이동시키는 구성이 생각된다. 이 경우, 상기 기체는, 높이 방향으로 이동하여도, 투광 유닛(13) 및 촬상 유닛(15)의 기하학적 위치 관계가 유지되는 강성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, z축 이송 기구(18)로서는, 나사 이송 기구 등, 물체를 이동시키는 공지의 기구를 이용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제어 유닛(16)은, z축 이송 기구(18)가 계측 헤드(17)를, 어떤 기준 위치로부터 높이 방향으로 이동(변위)시킨 양인 이송량(변위량)(△z)에 의거하여, 상기 호 해석법에 의해 산출된 높이를 보정함에 의해, 계측 대상(12)의 높이를 산출하고 있다. 그리고, 제어 유닛(16)은, 산출된 계측 대상(12)의 높이에 의거하여, 계측 헤드(17)를 높이 방향으로 이동시키도록 z축 이송 기구(18)를 제어하고 있다.
따라서 3차원 형상 계측 장치의 교정을 행하기 위해 종래 마련되어 있는 높이 조정 기구를 z축 이송 기구(18)로 변경함에 의해, 계측 레인지를 높이 방향으로 용이하게 변위시킬 수 있다. 또한, z축 이송 기구(18)의 교정은, 종래의 교정과 함께 행할 수 있기 때문에, 교정의 수고의 증대를 억제할 수 있다.
그리고, 상기 호 해석법에 의해 산출된 높이를, z축 이송 기구(18)에 의한 이송량(△z)에 의거하여 보정함에 의해, 높이를 계측하기 위한 새로운 센서를 마련하는 일 없이, 계측 대상의 정확한 높이를 산출할 수 있다. 그 결과, 상기 계측 레인지를 유지하면서, 계측 가능한 높이를 간편하게 확장할 수 있다. 또한, 제어 유닛(16)의 상세에 관해는 후술한다.
다음에, 제어 유닛(16)의 상세에 관해 설명한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 제어 유닛(16)은, 화상 취득부(44), 주제어부(45), 기억부(46), 입력·설정부(47), 반송 제어부(48), 투광 제어부(49) 및 z축 이송 제어부(변위부 제어 수단)(50)를 구비하는 구성이다.
주제어부(45)는, 반송 제어부(48), 투광 제어부(49) 및 z축 이송 제어부(50)에 각종 지시를 행하는 것이다. 주제어부(45)는, CPU(Central Processing Unit)에 각종 제어 프로그램을 실행시킴에 의해 실현된다. 또는 그 대신에, 도시하지 않은 DSP(Digital Signal Processor), FPGA(Field Progra㎜able Gate Array) 등에 의해 실현하여도 좋다. 또한, 주제어부(45)의 상세에 관해는 후술한다.
기억부(46)는, 각종의 정보를 기억하는 것이다. 기억부(46)는, RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 외부 기억 장치 등의 어느 하나 또는 그들의 조합에 의해 실현되어 있다. 또한, 기억부(46)에 기억되는 정보의 상세에 관해는 후술한다.
화상 취득부(44)는, 촬상 유닛(15)로부터의 화상 정보를 취득하는 것이고, 갭쳐 보드 등에 의해 구성되어 있다. 화상 취득부(44)는, 취득한 화상 정보를, 주제어부(45)에서 처리 가능한 화상 데이터로 변환하여, 주제어부(45)에 송신한다.
입력·설정부(47)는, 유저로부터의 지시 입력, 정보 입력, 설정 입력 등의 각종 입력을 접수하는 것이고, 예를 들면 키보드나 버튼 등의 키 입력 디바이스나, 마우스 등의 포인팅 디바이스 등에 의해 구성된다. 또한, 입력·설정부(47)와 함께, 또는 입력·설정부(47) 대신에, 인쇄된 정보를 판독하는 스캐너 디바이스, 무선 또는 유선의 전송 매체를 통하여 신호를 수신하는 수신 디바이스, 외부 또는 자체장치 내의 기록 매체에 기록된 데이터를 재생하는 재생 디바이스 등을 이용하여, 외부로부터의 상기 각종 입력을 접수하여도 좋다.
반송 제어부(48), 투광 제어부(49) 및 z축 이송 제어부(50)는, 주제어부(45)로부터의 지시에 의거하여, 반송 유닛(11), 투광 유닛(13) 및, z축 이송 기구(18)를 각각 제어하는 것이다.
이와 같은 3차원 형상 계측 시스템(10)에 구비되는 각 부분의 기하학적 위치 관계에 관해 한 예를 이용하여 이하에 설명하지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다.
본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 촬상 유닛(15)의 라인 센서(34)는, 그 주주사 방향이 반송 테이블(부착대)(41)의 재치면(기준면)과 평행하게 되도록 설치되어 있다. 라인 센서(34)의 주주사 방향과 반송 테이블(41)의 재치면을 평행하게 함에 의해, 계측 대상(12)의 윗면을 균일한 배율로 촬상할 수 있다. 또한, 라인 센서(34)의 주주사 방향과 부주사 방향을 수직으로 하고 있기 때문에, 반송하면서 촬영한 복수의 라인 화상으로 이루어지는 2차원 화상에는, 직각 부분이 직각 부분으로서 촬상된다.
또한, 투광 유닛(13)은, 그 광축이 촬상 유닛(15)의 광축에 대해 소정의 각도를 갖도록 마련되어 있다. 이에 의해, 상세는 후술하지만, 계측 대상(12)에 투영한 광 패턴(14)의 어긋남에 의거하여, 계측 대상(12)의 높이를 산출할 수 있다. 또한, 촬상 유닛(15) 및 투광 유닛(13)의 기하학적 배치는 설치시에 미리 계측하여 두어도 좋고, 교정에 의해 산출하여도 좋다.
이와 같은 3차원 형상 계측 시스템(10)의 동작에 관해 설명하면 이하와 같다. 우선, 각종 기기의 교정을 행한다. 예를 들면, 반송 테이블(41)에 교정용 타겟(도시 생략)을 재치하고, 재치된 교정용 타겟을 촬상 유닛(15)이 촬영하고, 촬영된 교정용 타겟의 화상을 제어 유닛(16)이 해석하여, 촬상 유닛(15)의 광축의 기울기(φ)를 산출함에 의해, 촬상 유닛(15)의 광축의 교정을 행한다.
각종 교정의 종료 후, 계측 대상(12)의 3차원 형상의 계측을 행한다. 우선, 제어 유닛(16)의 반송 제어부(48)로부터의 명령에 의해, 반송 유닛(11)의 서보 모터(42)가 반송 테이블(41)을 초기 설정 위치에 세트한다. 이 초기 설정 위치는, 촬상 유닛(15)이 계측 대상(12)을 촬상할 때의 부주사 방향의 촬상 시작 위치를 결정하는 것이고, 촬상 유닛(15)의 촬상 영역이, 반송 유닛(11)의 반송 테이블(41)에 실려진 계측 대상(12)의 부주사 방향에서의 단부로 오는 위치인 것이 바람직하다.
그리고, 투광 유닛(13)이 계측 대상(12)에 광 패턴(14)을 투영한다. 촬상 유닛(15)은, 광 패턴(14)이 투영된 계측 대상(12)을 주사하고, 이 계측 대상(12)의 화상을 취득한다. 촬상 유닛(15)에 의해 취득된 화상은, 제어 유닛(16)에 송신되고, 제어 유닛(16)의 화상 취득부(44)에 의해 디지털 데이터로 변환된다. 그리고, 제어 유닛(16)의 주제어부(45)가 광 패턴(14)을 해석함에 의해, 계측 대상(12)의 높이 정보가 산출된다.
여기서, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 화상중의 광 패턴(14)을 해석할 때에, 공간 호 해석법을 이용하는 구성으로 되어 있다. 이에 의해, 촬상 유닛(15)에 구비된 4개의 라인 센서(34)가 1회 주사하여 취득한 4개의 라인 화상으로부터, 계측 대상(12)의 영역으로서, 촬상 유닛(15)의 주사 영역(촬상 영역) 내에서의 각 위치에서의 높이를 구할 수 있다. 또한, 공간 호 해석법의 상세에 관해는 후술한다.
그리고, 반송 유닛(11)은, 제어 유닛(16)의 제어에 의해, 계측 대상(12)을 부주사 방향으로 소정의 거리만큼 이동시킨다. 이에 의해, 계측 대상(12)에서의 촬상 유닛(15)의 촬상 영역과 투광 유닛(13)에 의해 투영되는 광 패턴(14)이, 소정의 거리만큼 부주사 방향으로 어긋나게 된다. 이 후, 재차 촬상 유닛(15)이 계측 대상(12)을 주사하여, 라인 화상을 취득한다. 여기서 얻어진 라인 화상에는, 계측 대상(12)의, 방금전의 주사 영역보다도 소정의 거리만큼 부주사 방향으로 어긋난 영역이 포함되게 된다. 얻어진 화상은, 마찬가지로 제어 유닛(16)에 송신되고, 새로운 주사 영역 내에서의 각 위치에서의 3차원 정보가 구하여진다.
이와 같이, 반송 유닛(11)이 재차 계측 대상(12)을 소정의 거리만큼 이동시켜서, 촬상 유닛(15)이 계측 대상(12)을 촬상하고, 제어 유닛(16)이 라인 화상을 해석하는 처리를 반복함에 의해, 계측 대상(12)의 전체의 3차원 형상이 계측된다.
또한, 계측 대상(12)의 3차원 형상 정보 중, 라인 센서(34)의 주주사 방향의 길이 및 부주사 방향의 길이 정보에 관해서는, 공지의 방법에 의해 계측할 수 있다. 예를 들면, 계측 대상(12)의 주주사 방향의 길이 정보는, 라인 화상에 촬상된 계측 대상의 주주사 방향의 길이에 의거하여 산출할 수 있다. 또한, 계측 대상(12)의 부주사 방향의 길이 정보는, 반송 유닛(11)에 의한 이동 속도에 의거하여 산출할 수 있다. 이와 같이, 계측 대상(12)의 주주사 방향 및 부주사 방향의 길이 정보와, 높이 정보를 구함에 의해, 계측 대상(12)의 3차원 형상 정보를 얻을 수 있다.
또한, 상기한 소정의 거리란, 촬상 유닛(15)의 촬상 영역의 부주사 방향에서의 길이와 동등한 것이 바람직하다. 이에 의해, 상기한 공정에 의해 계측 대상(12)의 전 영역을 빠짐 없이 신속하게 계측할 수 있다.
또한, 소정의 거리마다의 촬상은, 반송 테이블(41)을 일정 속도로 이동시키면서, 촬상 유닛(15)에 일정 시간마다 촬상시킴에 의해 실현할 수 있다. 이 경우, 반송 제어부(48)가, 화상 취득부(44)를 통하여, 예를 들면 수KHz 오더의 일정 시간마다 촬상 구동 신호를 촬상 유닛(15)에 송신한다. 촬상 유닛(15)은, 이 구동 신호를 트리거로 하여 광 패턴(14)이 투영된 계측 대상(12)의 화상을 취득한다. 한편, 반송 제어부(48)는, 마찬가지의 일정 시간 마다의 반송 구동 신호를 반송 유닛(11)에도 송신한다. 반송 유닛(11)의 서보 모터(42)는, 이 반송 구동 신호를 트리거로 하여 반송 테이블(41)을 일정 속도로 구동한다. 이에 의해, 소정의 영역씩 계측 대상(12)을 촬상할 수 있다.
또한, 소정의 거리마다의 촬상에 리니어 스케일러(43)를 이용하여도 좋다. 이 경우, 도 4에 도시하는 바와 같이, 리니어 스케일러(43)는 반송 유닛(11)에 마련되고, 반송 테이블(41)이 소정의 거리만큼 이동될 때마다, 반송 제어부(48)에 대해 신호를 송신한다. 그리고, 반송 제어부(48)는, 이 신호를 수신하면, 촬상 유닛(15)의 라인 센서(34)에 대해 촬상 구동 신호를 송신한다. 이에 의해, 반송 유닛(11)의 반송 속도 얼룩 등에 좌우되는 일 없이, 정확하게 소정의 거리마다의 촬상을 행하는 것이 가능해지고, 그 결과, 3차원 계측의 정밀도가 향상한다.
다음에, 이와 같은 3차원 형상 계측 시스템(10)의 이점에 관해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 촬상 유닛(15)에 포함되는 판독 센서로서, 라인 센서(34)를 이용하는 구성으로 되어 있다. 예를 들면 주주사 방향의 화소수가 10000화소의 라인 센서(34)를 이용하는 경우, 주주사 방향의 길이가 100㎜의 계측 대상을, 약 10㎛의 분해능으로 촬상할 수 있다. 이에 대해, 예를 들면 횡방향의 화소수가 640화소의 에리어 카메라를 통한 경우, 횡방향의 길이가 100㎜의 계측 대상을, 약 150㎛의 분해능밖에 촬상 할 수가 없다.
또한, 상기한 에리어 카메라가 라인 센서(34)와 같은 분해능으로 촬상하기 위해서는, 주주사 방향으로 소정의 거리씩 이동하고, 그리고 촬상한다는 처리 공정을 최저라도 12세트 행할 필요가 있다. 이 경우, 주주사 방향으로 촬상 유닛(15)을 이동시켜서, 촬상시키기 때문에 막대한 시간을 필요로 하여 버린다.
이에 대해, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 라인 센서(34)를 이용함에 의해, 계측 대상(12)에 대해 높은 분해능으로 고속의 촬상을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 촬상 유닛(15)에 의해 판독한 각 라인 화상을 공간 호 해석법에 의해 해석하는 구성으로 되어 있다. 공간 호 해석법에서는, 하나의 라인 화상으로부터 광 패턴(14)의 위상 어긋남을 산출하고, 이 위상 어긋남으로부터 3차원 정보를 산출할 수 있다. 따라서, 계측 대상(12)에 대해 필요한 총 주사 회수가 1회로 끝나기 때문에, 주사 회수가 복수회 필요한 구성에 비하면, 고속으로 계측을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 한 번의 주사에 의해 취득한 라인 화상만에 의거하여 높이를 계측할 수 있기 때문에, 주사와 동시에 3차원 형상의 계측을 행하는 것도 가능해진다. 이에 의해, 예를 들면 기판의 검사를 행하는 경우 등에, 계측 대상(12)이 되는 기판상에 어떠한 제조상의 이상을 발견한 때에, 최후까지 촬상 처리를 반복하는 일 없이 곧바로 계측을 중단시킬 수 있고, 기판의 검사를 신속화할 수 있게 된다.
다음에, 제어 유닛(16)의 주제어부(45)에 의한 화상 해석의 상세에 관해 설명한다. 우선, 본 실시 형태의 화상 해석 수법의 원리에 관해, 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
주제어부(45)는, 광 패턴(14)이 투영된 계측 대상(12)의 라인 화상을 공간 호 해석법에 의거하여 해석한다. 공간 호 해석법이란, 상술한 바와 같이 삼각측량의 원리에 의거한 것이다. 삼각측량의 원리에 관해서는, 도 15를 참조하여 상술하였기 때문에, 이하에서는, 호 해석법 및 공간 호 해석법에 관해 순번대로 설명한다.
우선, 호 해석법에 관해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이, 계측 대상(12)에 투영하는 광 패턴(14)으로서, 정현파 형상의 광 패턴을 이용하고 있다. 정현파 형상의 광 패턴이란, 휘도가 사인 함수에 의해 표시되는 그러데이션을 갖는 패턴인 것을 말한다. 환언하면, 위치와 휘도와의 관계가 사인 함수에 의해 표시되는 광 패턴인 것을 정현파 형상의 광 패턴이라고 한다. 정현파 형상의 광 패턴의 한 예를 도 5에 도시한다.
이와 같은 광 패턴을, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시하는 바와 같은 계측 대상(12)에 투영한 경우, 투영되는 광 패턴을 윗면에서 관측하면 도 7의 (a)와 같이 된다. 즉, 경사 방향에서 투영된 광 패턴은, 높이를 갖는 볼록부에서 왜곡이 생기게 된다. 이와 같이 광 패턴이 투영된 계측 대상(12)을 촬상 유닛(15)의 라인 센서(34)에 의해 주사하면, 주사 위치와 휘도와의 관계는 도 7이 (b)와 같이 된다.
도 7의 (b)의 상단에 도시하는 바와 같이, 볼록부가 없는 기준면에 투영된 광 패턴은, 항상 일정한 주기로 휘도가 변화한다. 이에 대해, 도 7의 (b)의 하단에 도시하는 바와 같이, 볼록부에 투영된 광 패턴은 볼록부의 경사에 의해 휘도의 주기가 변화하고, 그 결과, 기준면에 투영된 광 패턴에 대해 위상의 어긋남이 생기게 된다. 따라서, 실제로 계측 대상(12)에 광 패턴을 투영하여 촬상한 화상(라인 화상)에 포함되는 어떤 위치의 화소에서의 광 패턴의 위상과, 기준면에 광 패턴을 투영한 경우의 동 화소의 위상(기준 위상)과의 차를 구하면, 그 화소에 대응하는 위치에서의 계측 대상(12)의 높이를 상기한 삼각측량의 원리에 의거하여 구할 수 있다.
상기한 위상차를 산출함에 있어서, 기준 위상은, 기준면에 광 패턴을 투영하여 촬상하는 등에 의해 미리 구하여 둘 수 있다. 한편, 실제로 계측 대상(12)에 광 패턴을 투영하여 촬상한 화상(라인 화상)에 포함되는 각 위치의 화소에서의 광 패턴의 위상의 구하는 방법에는, 대별하여 2가지가 있다. 공간 호 해석법과 시간 호 해석법과의 상위점은, 이 위상의 구하는 방법에 있다.
도 7의 (b)에 도시하는 바와 같이, 사인 함수에서는, 어떤 하나의 변위를 주는 위상이 1주기내에 2개 존재한다. 예를 들면, y=sinθ에 의해 표시되는 함수에 있어서, 변위y=0을 주는 위상(θ)의 해답은 0 및 π의 2개이다. 또한, 변위y=1/2를 주는 위상(θ)의 해답은 π/6 및 5π/6의 2개이다. 이와 같은 이유 때문에, 촬상한 화상에 있어서, 단일한 화소의 휘도치(사인 함수의 변위에 상당)만으로부터, 그 화소에서의 광 패턴의 위상을 구할 수는 없다.
여기서, 종래 사용되어 온 수법인 시간 호 해석법(위상 시프트법)에서는, 소정량만큼 위상을 어긋나게 한 적어도 3개의 광 패턴을 계측 대상(12)에 투영하여 계측 대상(12)을 촬상하고, 얻어진 화상을 해석함에 의해 위상을 하나로 결정한다. 따라서, 시간 호 해석법을 이용하는 경우는, 계측 대상(12)의 반사 특성이 엄밀하게 일률적이었다고 하여도, 계측 대상(12)을 최저라도 3회 촬상하여야 한다.
한편, 공간 호 해석법에서는, 위상을 구하는 화소(이하 「주목 화소」라고 칭한다) 및 그 주변의 화소의 휘도에 의거하여, 주목 화소에서의 위상을 산출한다. 예를 들면, 상기한 예에 있어서 변위y=0을 주는 위상(θ)은 0 및π의 2개지만, 여기서, 주목 화소에서의 위상이 0인 경우와 π인 경우에서는, 주변의 화소의 휘도가 다르게 된다. 주목 화소에서의 위상이 0인 경우, 예를 들면 주목 화소보다도 조금 위상이 작은 측에 존재하는 주변 화소의 휘도치는, 주목 화소의 휘도치보다도 작아진다. 한편, 주목 화소에서의 위상이 π인 경우는, 주목 화소보다도 조금 위상이 작은 측에 존재하는 주변 화소의 휘도치가 주목 화소의 휘도치보다도 커진다. 따라서, 주목 화소의 부근의 화소에 의거하여, 광 패턴의 위상을 하나로 결정할 수 있다. 이와 같이, 주목 화소의 부근에 존재하는 화소의 휘도치에 의거하여, 주목 화소에서의 위상을 결정하는 것이 공간 호 해석법의 특징이다.
본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에 이용되는 공간 호 해석법의 구체적인 처리 공정에 관해 이하에 상세히 기술하지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 상술한 호 해석법의 원리에 의거한 것이면 어떤 것이라도 좋다.
본 실시 형태에서는, 촬상한 라인 화상으로부터, 광 패턴을 90° 이상(移相)한 이상광(移相光) 패턴을 가상적으로 작성한다. 여기서, 투영하는 광 패턴을, 다음의 식(2)
Figure pct00002
로 하면, 이 광 패턴을 90° 이상한 이상광 패턴은, 다음의 식(3)
Figure pct00003
으로 표시된다. 따라서, 위치(x)에서의 화소의 위상φ(x)는, 다음의 식(4)
Figure pct00004
로 구할 수 있다.
여기서, I(x)의 값은, 주주사 방향의 위치(x)에서의 화소의 휘도치이다. 한편, I^(x)(이하, 햇이 붙은 I(x)를 편의적으로 이와 같이 기술한다)의 값의 산출에는, Hilbert 변환을 이용한다. 즉, 이상광 패턴에 의한 위치(x)에서의 휘도치(I^(x))는, 다음의 식(5)
Figure pct00005
로 표시된다. 여기서, 취득할 수 있는 휘도 데이터는 화소마다의 데이터, 즉 이산적(離散的)인 것이기 때문에, 상기한 식(5)을 다음의 식(6)
Figure pct00006
과 같이 근사한다. 이 식(6)에 의해, I^(x)의 값를 구할 수 있다.
이상으로부터, 휘도치(I(x))를 취득하면, 상기한 식(6)으로부터 I^(x)의 값를 구하고, 상기한 식(4)으로부터 위상φ(x)를 구할 수 있다. 그리고, 구한 위상φ(x)와 기준면에 있어서 위상φ0(x)와의 위상차△φ(x)에 의해, 상술한 삼각측량의 원리에 의거하여, 위치(x)에서의 높이(z)를 산출할 수 있다.
높이(z)는, 구체적으로는, 기준면부터의 거리로서 산출되고, 다음의 식(7)
Figure pct00007
에 의해 구할 수 있다. 또한, 상기한 식(7)에서, A(x, z) 및 B(x, z)는, 패턴 주기나 카메라로부터 기준면까지의 거리, 패턴의 투영 각도 등의 기하학적 배치에 의존하여 화소마다 정해지는 함수이다. 단, 이들의 함수는, 미지수 z의 함수이므로, 엄밀한 형태를 산출하는 것은 곤란하다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 미리 높이가 기지의 교정용 타겟을 관측하여, A(x, z) 및 B(x, z)의 값를 화소(x)마다 산출하고, 이것을 이용하여 직선 근사나 스플라인 함수 근사로 z의 함수형을 추정하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 계측 헤드(17)가 높이 방향으로 변위하기 때문에, 상기 기준면도 변위하게 된다. 따라서, 계측 대상(12)의 높이는, 상기식(7)으로부터 산출된 높이(z)에, 이송량(△z)을 가산한 것이 된다.
다음에, 주제어부(45)의 구성에 관해 설명한다. 도 1은, 제어 유닛(16)의 주요부 구성, 특히 주제어부(45)의 주요부 구성을 도시하고 있다. 주제어부(45)는, 배경 제거부(72), Hilbert 변환부(74), 위상 산출부(위상 산출 수단)(75), 위상차 산출부(76), 높이 산출부(높이 산출 수단)(77) 및 이송량 산출부(변위부 제어 수단)(78)를 구비하고 있다. 또한, 제어 유닛(16)의 기억부(46)에는, 역(逆)탄젠트 DB(Database)(62), 기준 위상 DB(63), 함수 DB(61), 3차원 형상 DB(64) 및 이송량 DB(65)가 존재한다.
역탄젠트 DB(62)는, y=tan-1x에 의해 표시된 함수에서의 y와 x의 대응을 나타내는 데이터베이스이고, x의 값과, tan-1x의 값이 미리 관련지어져서 격납되어 있다. 이에 의해, x의 값에 의거하여, 그 역탄젠트의 값(y)을 검색할 수 있다.
기준 위상 DB(63)는, 광 패턴을 투영한 기준면(높이가 항상 0인 평면)을 촬상한 라인 화상의 각화소에서의 광 패턴의 위상(이하 「기준 위상」이라고 칭한다)을 미리 격납한 데이터베이스이다. 기준 위상 DB(63)에는, 라인 화상에 포함되는 화소의 주주사 방향의 위치(x)와, 그 화소에서의 기준 위상φ0(x)가 관련지어져서 격납되어 있다. 이에 의해, 라인 화상에 포함되는 화소의 위치(x)의 정보에 의거하여, 그 화소에서의 기준 위상φ0(x)를 검색할 수 있다. 또한, 기준 위상 DB(63)는, 교정 모드에서, 기억부(46)에 미리 격납 또는 갱신되는 것이 바람직하다.
함수 DB(61)는, 상기한 식(7)에 포함되는 함수(A(x, z)) 및 함수(B(x, z))를 미리 격납한 데이터베이스이다. 함수 DB(61)에는, 라인 화상에 포함되는 화소의 주주사 방향의 위치(x)와, 교정용 타겟을 관측하여 추정된, 그 화소에서의 함수(A(x, z)) 및 함수(B(x, z))가 관련지어져서 격납되어 있다. 이에 의해, 라인 화상에 포함되는 화소의 위치(x)의 정보에 의거하여, 그 화소에서의 함수(A(x, z)) 및 함수(B(x, z))를 검색할 수 있다.
3차원 형상 DB(64)는, 계측에 의해 얻어진 계측 대상(12)의 3차원 형상 정보를 격납하기 위한 데이터베이스이다. 이 3차원 형상 DB(64)에는, 계측 대상(12)의 표면상의 점을 특정하는 x좌표(주주사 방향에 상당), y좌표(부주사 방향에 상당), z좌표(높이에 상당)가 관련지어져서 격납된다. 이에 의해, 계측 종료 후에, 계측 대상(12)의 x좌표 및 y좌표에 의거하여, 그 위치에서의 높이(z좌표)를 검색할 수 있다.
이송량 DB(65)는, z축 이송 기구(18)가 계측 헤드(17)를 어떤 기준 위치로부터 높이 방향으로 이동시킨 양인 이송량(△z)을 격납하기 위한 데이터베이스이다. 또한, 이송량 DB(65)에는, 이송량(△z)과 y좌표를 관련지어서 격납되어도 좋다.
배경 제거부(72)는, 화상 취득부(44)로부터 라인 화상을 취득하고, 취득한 라인 화상으로부터 배경 성분을 제거하는 것이다. 배경 제거부(72)는, 배경 성분을 제거한 라인 화상을 Hilbert 변환부(74) 및 위상 산출부(75)에 송신한다. 구체적으로는, 배경 제거부(72)는, 광 패턴을 투영한 상태에서 계측 대상(12)을 촬상한 라인 화상과, 광 패턴을 투영하지 않고 일률적인 휘도의 광을 조사한 상태에서 계측 대상(12)을 촬상한 대조 라인 화상을 취득하고, 광 패턴을 투영한 상태의 라인 화상에서의 각화소의 휘도치를, 상기 대조 라인 화상의 대응하는 화소의 휘도치로 제산하고 있다.
도 8의 (a)는, 광 패턴을 투영한 상태의 상기 라인 화상의 한 예를 도시하고 있고, 도 8의 (b)는, 상기 대조 라인 화상의 한 예를 도시하고 있다. 동 도면의 (b)에 도시하는 바와 같이, 계측 대상(12)에 일률적인 휘도의 광을 조사하여도, 촬상한 화상에는 얼룩(반)이 생기고 있는 것을 이해할 수 있다. 이것은, 계측 대상(12)의 각 부위에 있어서 반사 특성의 상위에 기인한다. 상기 얼룩은, 동 도면의 (a)에 도시하는 바와 같이, 광 패턴을 투영한 상태의 라인 화상에도 생기게 되고, 상기 라인 화상을 이용하여 산출된 위상에 오차가 생기게 된다.
광 패턴을 투영한 상태의 상기 라인 화상의 휘도치 g1(x)는 다음의 식(8)
Figure pct00008
로 표시된다. 여기서, A(x)는 계측 대상(12)의 반사율, I0는 계측 대상(12)에 조사하는 광의 평균 강도, B는 광 패턴의 진폭, k는 광 패턴의 주파수, 또한 Φ는 계측 대상(12)의 높이에 의한 위상 변조이다.
한편, 상기 대조 라인 화상의 휘도치 g2(x)는 다음의 식(9)
Figure pct00009
로 표시된다.
상기한 식(8)을 상기한 식(9)으로 제산하면, 다음의 식(10)
Figure pct00010
이 되고, 계측 대상(12)의 각 부위에 의존하는 반사율(A(x))이 제거된다.
본 실시 형태에서는, 촬상 유닛(15)에는, 상기 라인 화상을 취득하기 위한 제 1의 라인 센서와, 상기 대조 라인 화상을 취득하기 위한 제 2의 라인 센서가 라인 센서(34)로서 마련되어 있다.
도 3은, 3차원 형상 계측 시스템(10)의 주요부 구성을 도시하고 있다. 도 3의 (a)는, 촬상 유닛(15)에 마련된 라인 센서(34)의 상세를 도시하고 있다. 본 실시 형태에서는, 도시하는 바와 같이, 흑백 성분(휘도 성분)을 촬영하는 라인 센서(34k)와, 청색 성분, 적색 성분 및 녹색 성분을 각각 촬영하는 라인 센서(34b·34r·34g)의 4개의 라인 센서를 이용하고 있다. 또한, 이하에서는, 라인 센서(34k·34b·34r·34g)를 총칭하는 경우에는, 「라인 센서(34)」로 기재한다.
도 3의 (b)는, 계측 대상(12)에 있어서서, 조사되는 광 패턴(14)과, 라인 센서(34k·34b·34r·34g)가 각각 촬영한 영역인 촬영 영역(34k'·34b'·34r'·34g')을 도시하고 있다. 도시하는 바와 같이, 광 패턴(14)이 조사되는 영역에, 흑백 성분을 촬영하는 촬영 영역(34k')이 포함되고, 광 패턴(14)이 조사되지 않는 영역에, 청색 성분, 적색 성분 및 녹색 성분을 각각 촬영하는 촬영 영역(34b'·34r'·34g')이 포함된다. 즉, 라인 센서(34k)가 제 1의 라인 센서에 해당하고, 라인 센서(34b·34r·34g)가 제 2의 라인 센서에 해당하게 된다.
따라서 본 실시 형태에서는, 계측 대상(12)에 대해 1회의 주사를 행할 뿐으로, 라인 센서(34k)의 촬영 화상으로부터 상기 라인 화상을 취득할 수 있고, 라인 센서(34b·34r·34g)의 촬영 화상으로부터, 계측 대상(12)의 컬러 화상을 취득할 수 있다. 그리고, 이 컬러 화상을 휘도 화상으로 변환함에 의해, 상기 대조 라인 화상을 취득할 수 있다. 취득된 상기 라인 화상 및 상기 대조 라인 화상으로부터, 상기 식(8) 내지 (10)를 이용하여, 광 패턴(14)만의 화상을 취득할 수 있다. 따라서, 계측 대상(12)에 대해 1회의 주사를 행할 뿐으로, 계측 대상(12)의 높이를 산출할 수 있기 때문에, 계측 대상(12)의 3차원 형상을 신속하게 계측할 수 있다.
Hilbert 변환부(74)는, 배경 제거부(72)로부터의 라인 화상 데이터, 즉 배경 성분이 제거된 라인 화상 데이터에 대해, 상기한 식(10)이 적용된 상기한 식(6)에 의거하여, Hilbert 변환을 행하는 것이다. Hilbert 변환부(74)는, Hilbert 변환한 라인 화상 데이터를 위상 산출부(75)에 송신한다.
위상 산출부(75)는, 배경 제거부(72)에서 배경 성분이 제거된 라인 화상 데이터와, 또한 Hilbert 변환부(74)에서 Hilbert 변환된 라인 화상 데이터를 이용하여, 위치(x)에서의 광 패턴의 위상을 산출하는 것이다. 구체적으로는, 위상 산출부(75)는, 상기한 식(10)이 적용된 상기한 식(4)에 의거하여, 위치(x)에서의 광 패턴의 위상φ(x)(=kx+Φ(x))을 산출하고 있다. 위상 산출부(75)는, 산출한 위상(φ(x))을 위상차 산출부(76)에 송신하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 위상 산출부(75)는, 상기한 식(4)에서의 역탄젠트의 값을, 역탄젠트 DB(62)를 참조함에 의해 구하고 있지만, 수치 연산에 의해 구하여도 좋다.
위상차 산출부(76)는, 위치(x)에서의 위상차(위상의 어긋남)(△φ(x))를 산출하는 것이다. 위상차 산출부(76)는, 산출한 위상차(△φ(x))를 높이 산출부(77)에 송신한다. 구체적으로는, 위상차 산출부(76)는, 우선, 위상 산출부(75)로부터 위치(x)에서의 광 패턴의 위상(φ(x))을 수신함과 함께, 기준 위상 DB(63)를 참조하여 위치(x)에서의 광 패턴의 기준 위상φ0(x)(=kx)를 취득한다. 그리고, 위상차 산출부(76)는, 상기 위상(φ(x))으로부터 상기 기준 위상(φ0(x))을 감산함에 의해, 위치(x)에서의 위상차△φ(x)(=Φ(x))를 산출한다.
높이 산출부(77)는, 위치(x)에서의 계측 대상(12)의 높이(z)를 산출하는 것이다. 높이 산출부(77)는, 산출한 높이(z)를, 주주사 방향의 좌표(x) 및 부주사 방향의 좌표(y)와 관련지어서, 3차원 형상 DB(64)에 격납함과 함께, 이송량 산출부(78)에 송신한다.
구체적으로는, 높이 산출부(77)는, 우선, 위상차 산출부(76)로부터 위치(x)에서의 위상차(△φ(x))를 수신함과 함께, 함수 DB(61)를 참조하여 위치(x)에서의 함수(A(x, z)) 및 함수(B(x, z))를 취득한다. 다음에, 높이 산출부(77)는, 상기 위상차(△φ(x)), 상기 함수(A(x, z)) 및 상기 함수(B(x, z))로부터, 상기한 식(7)에 의거하여, 높이(z)를 산출한다. 그리고, 높이 산출부(77)는, 산출한 높이(z)에, 이송량 DB(65)로부터의 이송량(△z)을 가산함에 의해, 상기 산출한 높이(z)를 보정한다. 이 보정된 높이(z)가, 위치(x)에서의 계측 대상(12)의 높이(z)가 된다.
이송량 산출부(78)는, 일부 또는 모든 위치(x)에 관해, 높이 산출부(77)로부터의 계측 대상(12)의 높이(z)의 평균치를 산출하고, 산출한 평균치가 다음회의 주사에서의 계측 레인지의 중심이 되는 이송량(△z)을 산출하고, 산출한 이송량(△z)을 z축 이송 제어부(50)에 송신함과 함께, 이송량 DB(65)에 격납한다. 이에 의해, z축 이송 제어부(50)는, 계측 헤드(17)의 변위량이, 이송량 산출부(78)로부터의 이송량(△z)이 되도록, z축 이송 기구(18)를 제어하여 계측 헤드(17)를 변위시키게 된다. 또한, 평균치 외에, 최빈수(最頻數), 중앙치 등의 통계량을 이용하여도 좋다.
도 9는, 상기 구성의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 계측 헤드(17)의 움직임의 한 예를 도시하고 있다. 도시한 예에서는, 계측 대상(12)인 기판(12a)이, 위로 볼록하게 되도록 휘여 있고, y축 방향으로 반송되고 있다. 이 경우, 계측 헤드(17)은, 동 도면의 좌측부터 주사를 시작하게 되고, 기판(12a)의 휘어짐에 대응하여, 계측 헤드(17)가 상방으로 이동한 후, 하방으로 이동하게 된다.
이와 같이, 기판(12a)의 휘어짐에 대응하여 계측 헤드(17)를 변위시켜지는 경우, 부품이 배치되지 않은 위치(x)에서, 이송량(△z)을 산출하면 좋다. 또한, 통상, 기판(12a)의 색은, 갈색·녹색 등, 미리 정해 있기 때문에, 기판(12a)에 부품이 배치되어 있는지의 여부는, 제 2의 라인 센서로부터 취득되는 컬러 화상에 의해 용이하게 판단할 수 있다.
도 10은, 도 9에 도시하는 기판(12a)을 y축 방향으로 단면 하여, x축 방향에서 본 도면이다. 동 도면의 (a)는, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 계측 레인지의 변화의 양상을 도시하고 있다. 또한, 동 도면의 (b)는, 종래의 3차원 형상 계측 시스템에서의 계측 레인지의 변화의 양상을 비교예로서 도시하고 있다.
도 10의 (b)를 참조하면, 종래례에서는, 계측 레인지가 고정이기 때문에, 기판(12a) 및 기판(12a)에 배치된 부품의 일부만을 계측할 수 있지만, 나머지는 계측할 수가 없음을 이해할 수 있다. 이에 대해, 도 10의 (a)를 참조하면, 본 실시예에서는, 주사마다, 기판(12a)의 높이(z)가, 다음회의 주사에서의 계측 레인지의 중심이 되도록, 계측 헤드(17)가 변위하기 때문에, 기판(12a) 및 상기 부품의 전부를 계측할 수 있음을 이해할 수 있다.
다음에, 상기 구성의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 처리 동작에 관해 설명한다. 3차원 형상 계측 시스템(10)은, 우선 교정 모드로 이행하여 교정을 행한 후에, 계측 모드로 이행하여 계측 대상(12)의 3차원 형상을 계측하고 있다. 또한, 교정 모드에서의 처리는, 종래와 마찬가지이기 때문에, 그 설명을 생략한다.
도 11은, 계측 모드에서 제어 유닛(16)이 행하는 처리를 도시하고 있다. 제어 유닛(16)은, 직선형상으로 화소가 배열된 라인 화상에 있어서, 그 일단부로부터 타단부를 향하여 순차적으로 높이를 산출한다. 따라서, 우선, 주주사 방향에서의 화소의 위치(x)를 0에 세트한다(스텝 S11).
다음에, 제어 유닛(16)은, 위치(x)에서의 위상(φ(x))을 취득한다(스텝 S12). 구체적으로는, 우선, Hilbert 변환부(74)는, 배경 제거부(72)에서 배경 성분이 제거된 라인 화상 데이터에 대해, 상기한 식(10)이 적용된 상기한 식(6)에 의거하여, Hilbert 변환을 행한다. 그리고, 위상 산출부(75)는, 배경 제거부(72)에서 배경 성분이 제거된 라인 화상 데이터와, Hilbert 변환부(74)에서 Hilbert 변환된 라인 화상 데이터를 이용하여, 상기한 식(10)이 적용된 상기한 식(4)에 의거하여, 위치(x)에서의 광 패턴의 위상(φ(x))을 산출한다.
다음에, 위상차 산출부(76)는, 위상 산출부(75)에 산출된 위치(x)에서의 위상(φ(x))으로부터, 기준 위상 DB(63)를 참조하여 취득한 위치(x)에서의 기준 위상(φ0(x))을 감산함에 의해, 위치(x)에서의 위상차(△φ(x))를 산출한다(스텝 S13).
다음에, 높이 산출부(77)는, 위상차 산출부(76)에서 산출된 위상차(△φ(x))와, 함수 DB(61)를 참조하여 취득한 위치(x)에서의 함수(A(x, z)) 및 함수(B(x, z))로부터, 상기한 식(7)에 의거하여, 위치(x)에서의 높이(z)를 산출한다. 다음에, 높이 산출부(77)는, 산출한 높이(z)에, 이송량 DB(65)에 격납된 이송량(△z)을 가산함에 의해, 높이(z)를 보정한다(스텝 S14). 다음에, 높이 산출부(77)는, 보정 후의 높이(z)를 계측 대상(12)의 높이(z)로서, 주주사 방향의 좌표(x) 및 부주사 방향의 좌표(y)와 관련저어서, 3차원 형상 DB(64)에 격납한다(스텝 S15).
다음에, 이송량 산출부(78)는, 보정 후의 높이(z)에 의거하여 계측 대상(12)을 이동시키도록, z축 이송 제어부(50)를 통하여 z축 이송 기구(18)를 제어한다(스텝 S15). 구체적으로는, 이송량 산출부(78)는, 일부 또는 모든 위치(x)에 관해, 높이 산출부(77)로부터의 계측 대상(12)의 높이(z)의 평균치를 산출하고, 산출한 평균치가 다음회의 주사에서의 계측 레인지의 중심이 되는 이송량(△z)을 산출하고, 산출한 이송량(△z)을 z축 이송 제어부(50)에 송신함과 함께, 이송량 DB(65)에 격납한다.
계속해서, 주제어부(45)는, 위치(x)가 직선형상의 라인 화상의 종단인지의 여부를 판정한다(스텝 S16). 여기서, 위치(x)가 라인 화상의 종단인 경우는, 처리를 종료한다. 한편, 위치(x)가 라인 화상의 종단이 아닌 경우는, 주목 화소의 위치를 주주사 방향으로 1화소분 비켜놓기 위해, x의 값을 하나 늘린다(스텝 S17). 그리고, 스텝 S12로 되돌아온다.
상기한 스텝 S12 내지 스텝 S17의 처리를 반복함에 의해, 3차원 형상 DB(64)에는, 계측 대상(12)의 주주사 방향에 따른 각 위치에서의 높이 정보가 축적된다. 또한, 상기한 화상 해석 처리라고 평행하여, 반송 유닛(11)이 계측 대상(12)을 부주사 방향으로 비켜놓으면서, 촬상 유닛(15)이 계측 대상(12)을 재차 촬상한다. 그리고, 촬상에 의해 얻어진 라인 화상에 의거하여 재차 상기한 화상 해석 처리가 행하여진다. 이에 의해, 3차원 형상 DB(64)에는, 부주사 방향에 따른 각 위치에서의 높이 정보도 순차적으로 축적되고, 최종적으로, 계측 대상(12) 전체의 3차원 형상 정보가 축적되다. 또한, 상기한 화상 해석 처리가 종료되고 나서, 반송 유닛(11)이 계측 대상(12)을 부주사 방향으로 비켜놓고, 촬상 유닛(15)이 계측 대상(12)을 재차 촬상하여도 좋다.
상기한 스텝 S12부터 스텝 S17의 처리를 반복함에 의해, 3차원 형상 DB(64)에는, 계측 대상(12)의 주주사 방향에 따른 각 위치에서의 높이 정보가 축적된다. 또한, 상기한 처리가 종료되면, 반송 유닛(11)이 계측 대상(12)을 부주사 방향으로 비켜놓고, 그 후, 촬상 유닛(15)이 계측 대상(12)을 재차 촬상하고, 촬상에 의해 얻어진 라인 화상에 의거하여 재차 상기한 화상 해석 처리가 행하여진다. 이에 의해, 3차원 형상 DB(64)에는, 부주사 방향에 따른 각 위치에서의 높이 정보도 순차적으로 축적되고, 최종적으로, 계측 대상(12) 전체의 3차원 형상 정보가 축적된다.
또한, Hilbert 변환부(74)가, 식(6)에 의거하여 위치(x)에서의 이상광 패턴의 휘도치를 구할 때에, 식(6)의 파라미터(N)의 값을, 입력·설정부(47)을 통하여 변경 가능하게 하는 것이 바람직하다. 이것은, 위치(x)에서의 이상광 패턴의 휘도를 산출할 때에 이용하는 주목 화소 부근의 화소의 수를 가변으로 하는 것을 의미한다. 또는, 공간 호 해석법에서 이용하는 필터의 사이즈를 가변으로 한다고도 말할 수 있다.
여기서, N의 값을 크게 하면(즉 필터의 사이즈를 크게 하면), 보다 많은 화소에 의거하여 위상을 산출하게 되고, 최종적으로 구하여지는 높이 정보의 산출 정밀도가 향상한다. 한편, N의 값을 작게 하면(즉 필터의 사이즈를 작게 하면), I^(x)의 산출에 필요한 연산 회수가 적어지고, 산출 속도가 향상한다. 또한, 주목 화소 부근의 화소에 흑점 등의 휘도의 불연속점이 포함되기 어렵게 되기 때문에, 불연속점에 의한 오차 전반(傳搬)의 영향을 억제하는 것도 가능하다.
또한, 배경 제거부(72)는, 촬상 유닛(15)에 의해 촬상된 라인 화상에 대해, 배경 성분을 제거하는 처리 이외의 전처리를 행하여도 좋다. 전처리의 내용으로서는, 예를 들면 라인 화상에 포함되는 노이즈의 제거 등을 들 수 있다. 또한, 위상 산출부(75)가 위상을 산출한 후에, 산출한 위상에 대해 후처리를 행하여도 좋다. 예를 들면, 위상 산출부(75)와 위상차 산출부(76) 사이에 PLL(Phase Locked Loop)부를 또한 마련하고, 노이즈에 의한 오차를 경감하는 것 등을 들 수 있다.
또한, 상기한 전처리는, 도 11에 도시하는 스텝 S12보다도 전에 행하면 좋다. 한편, 상기한 후처리는, 도 11에 도시하는 스텝 S12와 스텝 S13의 사이에 행하면 좋다.
이상에 의해, 제어 유닛(16)은, 높이 산출부(77)가 계측 대상(12)의 높이(z)를 산출하면, 이송량 산출부(78)가 적당한 이송량(△z)을 산출하고, 산출한 이송량(△z)으로 계측 헤드(17)가 이동하도록, z축 이송 제어부(50)를 통하여 z축 이송 기구(18)를 제어하고 있다. 이 경우, 계측 대상(12)의 높이(z)를 산출하는 회수에 비례하고, z축 이송 기구(18)가 계측 헤드(17)를 이동시키는 회수가 증가하지만, 계측 대상(12)의 높이(z)에 의거하여, z축 이송 기구(18)가 계측 헤드(17)를 이동시키도록 제어해야 하는지의 여부를 판단하는 처리를 행할 필요가 없다.
또한, 본 실시 형태에서는, 이송량 산출부(78)는, 1회의 주사마다, 이송량(△z)을 산출하고, z축 이송 제어부(50)를 통하여 z축 이송 기구(18)를 제어하고 있지만, 계측 대상(12)의 높이(z)의 변화율이 낮은 경우에는, 1회의 주사 걸름, 2회의 주사 걸름 등, 솎아내어 행하여도 좋다. 이 경우, z축 이송 기구(18)가 계측 헤드(17)를 이동시키는 회수를 저감할 수 있다.
또한, 이송량 산출부(78)는, 높이 산출부(77)가 산출한 계측 대상(12)의 높이(z)가, 상기 계측 레인지에 대응하는 높이 방향의 범위에서의 단부에 도달하면, 이송량(△z)을 산출하고, z축 이송 제어부(50)를 통하여 z축 이송 기구(18)를 제어하여도 좋다. 여기서, 계측 대상(12)의 높이(z)가, 상기 단부에 도달한다는 것은, 계측 대상(12)의 높이(z)가, 상기 범위로부터 벗어날 것 같이 되어 있다고 생각된다. 상기 범위로부터 벗어나면, 상술한 바와 같이, 정확한 높이를 계측할 수가 없게 된다.
이에 대해, 상기한 구성에 의하면, 계측 대상(12)의 높이(z)가 상기 범위로부터 벗어날 것 같이 되면, 계측 헤드(17)를 이동시키기 때문에, 계측 대상(12)의 높이(z)가 상기 범위로부터 벗어나는 것을 방지할 수 있고, 그 결과, 계측 대상(12)의 높이(z)를 적절하게 계측할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 경우에 비하여, 계측 대상(12)의 높이(z)에 응하여 계측 헤드(17)를 이동시키는지의 여부를 판단하는 처리가 필요하지만, 계측 헤드(17)를 이동시키는 회수를 저감할 수 있다.
또한, 이송량 산출부(78)는, 금회의 주사에서 산출된 계측 대상(12)의 높이(z)를 이용하여 이송량(△z)을 산출하고 있지만, 이전의 주사에서 산출된 계측 대상(12)의 높이(z)를 이용하여도 좋다. 예를 들면, 도 9에 도시하는 기판(12a)의 경우, 부품이 밀집하고 있는 영역을 주사함에 의해, 기판(12a)의 높이(z)가 정밀도 좋게 계측할 수가 없는 일이 있다. 이 때, 금회 및 이전의 주사에 있어서 산출된 기판(12a)의 높이(z)를 이용하여 이송량(△z)을 산출하는 편이, 계측 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
다음에, 계측 대상(12)에 투영하는 광 패턴의 바람직한 변형례에 관해 설명한다.
본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)이나, 상술한 특허 문헌 1이나 비특허 문헌 1의 장치(이하 「종래의 장치」라고 칭한다)에서는, 계측 대상(12)에 투영하는 광 패턴의 휘도가, 라인 센서(34)의 주주사 방향에 따라서 변화하는 구성으로 되어 있다. 여기서, 종래의 장치에서는, 위상을 어긋나게 한 최저 3종류의 광 패턴을 계측 대상에 투영한 상태에서 촬상하기 때문에, 광 패턴의 휘도의 변화의 피치가 가장 작아지는 방향(이하 「최소 피치 방향」이라고 칭한다)을, 라인 센서의 주주사 방향과 다르게 할 필요가 있다. 왜냐하면, 그들 2개의 방향을 일치시켜 버리면, 라인 센서의 주주사 방향에 대해 수직한 방향의 반송 방향으로 계측 대상을 반송하여도, 계측 대상의 동일 부분에 투영된 광 패턴의 위상이 어긋나지 않기 때문이다.
한편, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 광 패턴이 투영된 계측 대상(12)을 라인 센서(34)에 의해 촬상하여 얻어진 1개의 라인 화상만에 의거하여, 광 패턴의 위상, 더 나아가서는 위상차를 산출할 수 있다. 따라서, 광 패턴의 최소 피치 방향을 라인 센서(34)의 주주사 방향과 일치시켜도 전혀 문제는 생기지 않는다.
여기서, 라인 센서(34)에 의해 촬상한 라인 화상에 있어서, 광 패턴의 휘도의 피치는, 높이 계측을 행하는 데 있어서, 계측 정밀도를 결정하는 중요한 인자가 된다. 구체적으로는, 피치를 작게 하면 하는 만큼 계측 정밀도가 향상한다. 그리고, 라인 센서(34)가 촬상한 라인 화상에 있어서 광 패턴의 휘도의 피치가 가장 작아지는 것은, 광 패턴의 최소 피치 방향이, 라인 센서(34)의 주주사 방향과 일치하는 경우이다. 따라서, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서, 계측 대상(12)에 대해 투영되는 광 패턴의 최소 피치 방향은, 라인 센서(34)의 주주사 방향과 평행인 (일치하고 있는) 것이 바람직하다.
또한, 광 패턴의 휘도의 피치를 작게 하면 하는 만큼 계측 정밀도가 향상하지만, 높이의 계측 레인지도 작아지고, 계측 레인지를 고정하고 있던 종래의 방법에서는, 측정 가능한 높이가 작아져 있다. 이에 대해, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 계측 대상(12)의 높이(z)에 의거하여 계측 헤드(17)를 높이 방향으로 이동시킴에 의해, 계측 레인지가 변경됨과 함께, 산출한 높이가 계측 헤드(17)의 이송량(△z)에 의거하여 보정됨에 의해, 계측 대상(12)의 높이(z)가 적절하게 산출되기 때문에, 측정 가능한 높이의 범위를 증대시킬 수 있다.
그런데, 종래의 장치에서는, 광 패턴을 복수의 라인 센서로 촬상하기 위해, 복수의 라인 센서 각각의 촬상 영역에 대해 광 패턴을 투영할 필요가 있다. 여기서, 복수의 라인 센서의 각각에 개별의 전용의 투광 유닛을 마련하는 경우, 투영되는 광 패턴이 투광 유닛마다 흐트러져 버린다는 문제가 생긴다. 이와 같은 문제 때문에, 투광 유닛을 하나로 하는 것이 일반적으로 되어 있다. 그러나, 투광 유닛을 하나로 하는데는, 복수의 라인 센서의 촬상 영역 전부를 커버할 수 있는 광 패턴을 투영할 필요가 있다.
그러나, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 1개의 라인 센서(34)가, 계측 대상(12)의 전 영역을 촬상하는 구성이기 때문에, 투광 유닛(13)에 의해 투영되는 광 패턴은, 1개의 라인 센서(34)(휘도 성분을 촬영하는 라인 센서(34k))의 촬상 영역만을 커버하면 좋다. 따라서, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서, 투영하는 광 패턴은, 2차원 방향으로 넓어진 것이 아니라도 좋다.
이 경우, 광 패턴의 에너지 효율을 높이는데는, 투광 유닛(13)이, 집광한 광 패턴을 투영하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 투광 유닛(13)이, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 라인 센서(34)의 주주사 방향으로 연재되는 1축에 집광한 직선 형상의 광 패턴(엄밀하게는 부주사 방향으로 미소 유한폭을 갖는)을 계측 대상(12)에 투영하는 것이 바람직하다. 이 경우, 투광 유닛(13)은, 광 패턴을 1축에 집광하기 위한 1축 집광소자를 구비하고, 이 1축 집광소자에 의해 광 패턴을 주주사 방향으로 연재되는 직선 형상으로 집광하면 좋다. 이 직선 형상의 광 패턴은, 라인 센서(34)의 촬상 영역을 커버하도록 투영된다.
또한, 상기 1축 집광소자의 구체적인 예로서는, 프레넬 렌즈 또는 실린드리컬 렌즈 등을 들 수 있다. 이들의 렌즈를 광원(31)과 패턴 생성 소자(32) 사이에 배치하면, 계측 대상(12)에 대해 1축에 집광한 광 패턴을 투영할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)의 변형례에 관해 설명한다. 상기한 설명에서는, 촬상 유닛(15)이 4개의 라인 센서(34)를 구비하는 구성으로 하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 추가의 라인 센서를 구비하고 있어도 좋다. 추가의 라인 센서를 구비함에 의해, 라인 센서의 휘도 노이즈를 통계적으로 제거할 수 있고, 3차원 형상 계측의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 3차원 형상 계측 시스템(10)에서는, 반송 유닛(11), 투광 유닛(13), 촬상 유닛(15) 및 제어 유닛(16) 등을, 다른 구성으로 하고 있지만, 그들의 구성의 일부 또는 전부를 일체의 구성으로 할 수도 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 라인 화상을 공간 호 해석법에 의거하여 해석하고 있지만, 시간 호 해석법에 의거하여 해석할 수조 있다.
[실시의 형태 2]
다음에, 본 발명의 다른 실시 형태에 관해 도 12 내지 도 14를 참조하여 설명한다. 도 12는, 본 실시 형태에 관한 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 제어 유닛(16)의 주요부 구성, 특히 주제어부(45)의 주요부 구성을 도시하고 있다. 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)은, 도 1 내지 도 11에 도시하는 3차원 형상 계측 시스템(10)에 비하고, 주제어부(45)에서, 이송량 산출부(78)에 대신하여 이송 판정부(변위부 제어 수단)(81)이 마련되고, 위상차 산출부(76)에 대신하여 위상차 산출부(위상 보정 수단)(82)가 마련되어 있는 점과, 계측 레인지 변경부(계측 레인지 설정 수단)(83)와 계측 레인지 DB(66)가 추가되어 있는 점이 다르고, 그 밖의 구성은 마찬가지이다. 또한, 상기 실시 형태에서 설명한 구성과 같은 기능을 갖는 구성에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
이송 판정부(81)는, 높이 산출부(77)가 산출한 계측 대상(12)의 높이(z)에 의거하여, 계측 헤드(17)를 이동시켜야 하는지의 여부를 판정하는 것이다. 계측 헤드(17)를 이동시켜야 할 것으로 판정한 경우, 이송 판정부(81)는, 이송량(△z)을 산출하고, 산출한 이송량(△z)을 z축 이송 제어부(50) 및 계측 레인지 변경부(83)에 송신함과 함께, 이송량 DB(65)에 격납한다. 이에 의해, z축 이송 제어부(50)는, 계측 헤드(17)의 변위량이, 이송 판정부(81)로부터의 이송량(△z)이 되도록, z축 이송 기구(18)를 제어하여 계측 헤드(17)를 변위시키게 된다.
구체적으로는, 이송 판정부(81)의 상기 판정은, 일부 또는 모든 위치(x)에 관해, 높이 산출부(77)로부터의 계측 대상(12)의 높이(z)의 평균치를 산출하고, 산출한 평균치가, 계측 헤드(17)의 피사계(被寫界) 심도(深度)에 대응하는 범위의 단부에 도달하였는지의 여부를 판정함에 의해 행하여진다. 또한, 이송량(△z)은, 상기 산출한 평균치가 다음회의 주사에서의 피사계 심도의 중심이 되는 양이다. 또한, 평균치 외에, 최빈수, 중앙치 등의 통계량을 이용하여도 좋다.
보다 구체적으로는, 상기 단부의 상측은, 상기 피사계 심도에 대응하는 범위의 상한치와, 그 상한치로부터, 상기 계측 레인지에 대응하는 범위의 반분만큼 하방의 값과의 사이의 범위이다. 또한, 상기 단부의 하측은, 상기 피사계 심도에 대응하는 범위의 하한치와, 그 하한치로부터, 상기 계측 레인지에 대응한 범위의 반분만큼 상방의 값과의 사이의 범위이다. 또한, 상기 단부의 크기는, 계측 대상(12)의 높이(z)의 변화율, 다음회 주사되는 위치까지의 거리 등에 의거하여 적절히 설정할 수 있다. 또한, 상기 단부의 크기는, 소정의 크기라도 좋고, 예를 들면 상기 변화율에 응하여 변화하여도 좋다.
계측 레인지 DB(66)는, 해석중의 화소에 대응하는 위치(x)의 위상(φ(x))이 취할 수 있는 범위를 나타내는 계측 레인지를 격납하기 위한 데이터베이스이다. 구체적으로는, 계측 레인지는, 위치(x)의 본래의 위상이 취할 수 있는 범위의 상한치 및 하한치의 조(組)이다. 또한, 이것으로 한하지 않고, 계측 레인지는, 상기 하한치와, 그 하한치로부터 상기 상한치까지의 크기와의 조나, 상기 범위의 중앙과, 그 중앙부터 상한치 또는 하한치까지의 차분과의 조라도 좋다. 이에 의해, 해석중의 화소에 대응하는 위치(x)에서의 계측 레인지를 검색할 수 있다.
위상차 산출부(82)는, 위상 산출부(75)로부터 위치(x)에서의 광 패턴의 위상(φ(x))를 수신함과 함께, 기준 위상 DB(63)를 참조하여 위치(x)에서의 광 패턴의 기준 위상(φ0(x))을 취득한다. 다음에, 위상차 산출부(82)는 광 패턴의 위상(φ(x))으로부터 기준면의 위상(φ0(x))을 감(減)하여, 보정 전 위상차(△φp(x))를 산출한다.
다음에, 위상차 산출부(82)는, 계측 레인지 DB(66)를 참조하여 계측 레인지(λ)를 취득한다. 그리고, 위상차(△φp(x)+2kπ)가 계측 레인지(λ)의 범위 내의 값을 취하는 정수(k)를 구하고, 구한 정수(k)를 위상차(△φp(x)+2kπ)에 대입한 것을 보정 위상차(△φ(x))로 한다. 위상차 산출부(82)는, 보정 위상차(△φ(x))를 산출한 위상차(△φ(x))로서 높이 산출부(77)와 계측 레인지 변경부(83)에 송신한다.
계측 레인지 변경부(83)는, 계측 레인지 DB(66)에 격납하는 계측 레인지를 변경하는 것이다. 구체적으로는, 계측 레인지 변경부(83)는, 우선, 위상차 산출부(82)로부터 위치(x)에서의 보정 위상차(△φ(x))를 수신한다. 계측 레인지 변경부(83)는 보정 위상차(△φ(x))를 이용하고 다음에 해석하는 화소, 즉 다음회의 주사에서 대응하는 위치의 계측 레인지를 산출하고, 산출한 계측 레인지로 계측 레인지 DB(66)를 갱신한다.
그런데, 계측 헤드(17)가 변위하면, 계측 레인지도 변위하게 된다. 그래서, 계측 레인지 변경부(83)는, 이송 판정부(81)로부터 이송량(△z)을 수신하면, 수신한 이송량(△z)에 의거하여 계측 레인지를 변경하고, 변경한 계측 레인지로 계측 레인지 DB(66)를 갱신한다.
여기서, 계측 대상(12)의 높이(z)가 상기 단부에 도달한다는 것은, 계측 대상(12)의 높이(z)가, 피사계 심도에 대응하는 범위로부터 벗어날 것 같이 되어 있다고 생각된다. 상기 범위로부터 벗어나면, 계측 헤드(17)가 촬상한 화상이 핀트가 흐려진 화상으로 되기 때문에, 정확한 높이를 계측할 수가 없게 된다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는, 계측 대상(12)의 높이(z)가 상기 범위로부터 벗어날 것 같이 되면, 계측 헤드(17)를 이동시켜서, 계측 대상(12)의 높이(z)가 상기 범위로부터 벗어나는 것을 방지하고 있다. 그 결과, 계측 대상(12)의 정확한 높이를 계측할 수 있다. 또한, 피사계 심도는, 계측 레인지보다도 넓기 때문에, 계측 레인지에 의거하여 계측 헤드(17)를 이동시키는 경우에 비하여, 이동의 회수를 저감할 수 있다.
그런데, 통상, 기준면에서의 높이에 대응하는 위상차가 2π를 초과하는 경우에도, 근처의 화소끼리의 위상차가 2π를 초과할 가능성은 낮다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 위상차 산출부(82)가, 어떤 화소에 관해, 계측 레인지에 의거하여 위상차가 보정되고, 보정된 위상차와, 이송량(△z)에 의거하여 다음에 주사되는 화소에 관한 계측 레인지가 설정되기 때문에, 위상차가 계측 레인지로부터 벗어날 가능성이 낮다. 그 결과, 피사계 심도에 대응하는 범위 내로서, 본래의 위상이 2π 이상이 되는 경우에도 대응할 수 있다.
도 13은, 도 9에 도시하는 기판(12a)을 y축 방향으로 단면하여, x축 방향에서 본 도면이고, 본 실시 형태의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 피사계 심도 및 계측 레인지의 변화의 양상을 나타내고 있다. 도 13에서, 길다란 태선이 피사계 심도를 나타내고, 세선이 계측 레인지를 나타내고 있다. 또한, 짧은 태선은, 피사계 심도에서의 상기 단부 이외의 범위를 나타내고 있다.
따라서 도 13에 도시하는 바와 같이, 기판(12a)의 높이(z)가 짧은 태선의 범위 내인 경우, 계측 레인지를 변경함으로써 대응하는 한편, 기판(12a)의 높이(z)가 짧은 태선의 범위를 초과하면, 계측 헤드(17)를 이동시켜서, 피사계 심도 및 계측 레인지를 변경함으로써 대응하고 있다. 그 결과, 도 13의 예에서는, 계측 헤드(17)의 이동은 5회만으로 끝난다.
다음에, 상기 구성의 3차원 형상 계측 시스템(10)에서의 계측 모드의 처리 동작에 관해 설명한다. 도 14는, 계측 모드에서 제어 유닛(16)이 행하는 처리를 도시하고 있다. 우선, 모든 라인의 계측이 종료되었는지의 여부를 판단한다(스텝 S21). 종료하고 있는 경우에는 처리를 종료한다.
한편, 종료하지 않은 경우에는, 각 블록은, 계측 대상(12)의 높이(z)를 산출하기 위한 파라미터인 각종의 높이 파라미터를 선택한다(스텝 S22). 예를 들면, 위상차 산출부(82)의 경우, 계측 레인지 DB(66)으로부터 계측 레인지를 취득하게 된다.
다음에, 주사를 행하여, 1라인의 각 위치(x)에서의 높이(z)를 계측한다(스텝 S23). 구체적으로는, 도 11에 도시하는 스텝 S11 내지 S17중, 계측 헤드(17)를 이동시키는 처리 이외의 처리가 행하여지게 된다.
다음에, 높이 산출부(77)는, 1라인의 각 위치(x)가, 기준면, 즉 계측 대상(12)에서 기준이 되는 면(도 13의 예에서는, 기판(12a)의 표면)인지의 여부를, 상기 컬러 화상의 색으로 판정한다(스텝 S24). 다음에, 높이 산출부(77)는, 기준면이라고 판정된 위치(x)의 높이(z)의 평균치를 산출한다(스텝 S25).
다음에, 이송 판정부(81)는, 산출된 기준면의 높이의 평균치가, 상기 단부의 상측인지, 즉, (피사계 심도에 대응하는 범위의 상한치)-(계측 레인지에 대응하는 범위의 반분)보다도 큰지의 여부를 판단한다(스텝 S26). 큰 경우에는 스텝 S27로 진행하고, 그 밖의 경우에는 스텝 S28로 진행한다.
스텝 S27에서, 이송 판정부(81)는, z축 이송 제어부(50)를 통하여 z축 이송 기구(18)를 제어하고, 상기 기준면의 높이의 평균치가 피사계 심도의 중심이 되도록, 계측 헤드(17)를 상방으로 이동시킨다. 그 후, 스텝 S21로 되돌아와, 상기 동작을 반복한다.
스텝 S28에서, 이송 판정부(81)는, 산출된 기준면의 높이의 평균치가, 상기 단부의 하측인지, 즉, (피사계 심도에 대응하는 범위의 하한치)+(계측 레인지에 대응하는 범위의 반분)보다도 작은지의 여부를 판단한다. 작은 경우에는 스텝 S29로 진행하고, 그 밖의 경우에는 스텝 S21로 진행하여 상기 동작을 반복한다.
스텝 S29에서, 이송 판정부(81)는, z축 이송 제어부(50)를 통하여 z축 이송 기구(18)를 제어하여, 상기 기준면의 높이의 평균치가 피사계 심도의 중심이 되도록, 계측 헤드(17)를 하방으로 이동시킨다. 그 후, 스텝 S21로 되돌아와, 상기 동작을 반복한다.
본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 청구항에 나타낸 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다. 즉, 청구항에 나타낸 범위에서 적절히 변경한 기술적 수단을 조합시켜서 얻어지는 실시 형태에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 반송 테이블(41)의 윗면을 기준면으로 하고, 그 기준면에 계측 대상(12)이 재치되어 있다. 그러나, 계측 대상(12)중에는, 상기 재치에 부적합한 것도 존재한다. 이 경우, 계측 대상(12)을 상기 기준면에서 이간하여 부착하면 좋다.
이와 같은 계측 대상(12)의 한 예로서는, 양면에 다수의 전자 부품이 실장된 회로 기판을 들 수 있다. 이 경우, 상기 회로 기판의 기판 부분의 양단을, 반송 테이블(41)의 윗면에서 이간한 상태로 착탈 가능하게 지지하는 지지 부재를 반송 테이블(41)에 마련하면 좋다. 이 때, 반송 테이블(41)의 윗면(기준면)으로부터, 휘어짐이 없는 경우의 상기 회로 기판의 윗면까지의 거리를 미리 특정하여 둠에 의해, 실제의 상기 회로 기판의 높이를 산출할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 반송 유닛(11)은, 계측 대상(12)을 이동시키는 구성으로 하고 있지만, 계측 대상(12)을 이동시키는 대신에, 계측 헤드(17)를 부주사 방향으로, 나아가서는 주주사 방향으로 이동시키는 구성으로 하여도 좋다. 즉, 반송 유닛(11)은, 계측 대상(12)을 계측 헤드(17)에 대해 상대적으로 이동시키는 것이면 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 계측 헤드(17)를 z축 방향으로 이동시키고 있지만, 반송 테이블(41)을 z축 방향으로 이동시켜도 좋고, 양쪽을 z축 방향으로 이동시켜도 좋다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 촬상 유닛(15)에 라인 센서(34)를 채용하고 있지만, 라인 센서 대신에 에리어 카메라를 사용하여도 좋다.
또한, 본 발명은 다음과 같이 표현할 수도 있다. 이상과 같이, 본 발명에 관한 3차원 형상 계측 장치에서는, 상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 상기 계측 대상의 높이를 산출하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하여도 좋다. 이 경우, 상기 계측 대상의 높이를 산출한 회수에 비례하여, 상기 변위부가 상기 변위를 행하는 회수가 증가하지만, 상기 계측 대상의 높이에 응하여 상기 변위를 행하게 하였는지의 여부를 판단하는 처리가 불필요하다. 또한, 상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 상기 계측 대상의 높이를 산출하면, 상기 변위부에 상기 변위를, 그때마다 행하게 하여도 좋고, 1회 걸름, 2회 걸름 등, 솎아내어 행하게 하여도 좋다.
본 발명에 관한 3차원 형상 계측 장치에서는, 상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 산출한 상기 계측 대상의 높이가, 상기 위상이 취할 수 있는 범위를 나타내는 계측 레인지에 대응하는 높이 방향의 범위에서의 단부에 도달하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하여도 좋다.
여기서, 상기 계측 대상의 높이가, 상기 단부에 도달한다는 것은, 상기 계측 대상의 높이가, 상기 계측 레인지에 대응하는 높이 방향의 범위로부터 벗어날 것 같이 되어 있다고 생각된다. 상기 범위로부터 벗어나면, 상술한 바와 같이, 정확한 높이를 계측할 수가 없게 된다.
이에 대해, 본 발명의 상기한 구성에 의하면, 상기 계측 대상의 높이가 상기 범위로부터 벗어날 것 같이 되면, 상기 변위부가 상기 변위를 행하기 때문에, 상기 계측 대상의 높이가 상기 범위로부터 벗어나는 것을 방지할 수 있고, 그 결과, 정확한 높이를 계측할 수 있다. 또한, 상기 계측 대상의 높이를 산출하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하는 상기한 경우에 비하여, 상기 계측 대상의 높이에 응하여 상기 변위를 행하게 하였는지의 여부를 판단하는 처리가 필요하지만, 상기 변위부가 상기 변위를 행하는 회수를 저감할 수 있다.
본 발명에 관한 3차원 형상 계측 장치에서는, 상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 산출한 상기 계측 대상의 높이가, 상기 계측 헤드의 피사계 심도에 대응하는 범위의 단부에 도달하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하고 있고, 상기 위상 산출 수단이 산출한 위상을, 상기 위상이 취할 수 있는 범위를 나타내는 계측 레인지에 의거하여 보정하는 위상 보정 수단을 또한 구비하고 있고, 상기 높이 산출 수단은, 상기 위상 보정 수단이 보정한 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하고 있고, 상기 위상 보정 수단이 보정한 위상과, 상기 변위량에 의거하여, 상기 계측 레인지를 설정하는 계측 레인지 설정 수단을 또한 구비하여도 좋다.
여기서, 상기 계측 대상의 높이가 상기 단부에 도달한다는 것은, 상기 계측 대상의 높이가, 상기 피사계 심도에 대응하는 범위로부터 벗어날 것 같이 되어 있다고 생각된다. 상기 범위로부터 벗어나면, 상기 계측 헤드가 촬상한 화상이 핀트가 흐려진 화상으로 되기 때문에, 정확한 높이를 계측할 수가 없게 될 우려가 있다.
이에 대해, 본 발명의 상기한 구성에 의하면, 상기 계측 대상의 높이가 상기 범위로부터 벗어날 것 같이 되면, 상기 변위부가 상기 변위를 행하기 때문에, 상기 계측 대상의 높이가 상기 범위로부터 벗어나는 것을 방지할 수 있고, 그 결과, 정확한 높이를 확실하게 계측할 수 있다. 또한, 상기 피사계 심도는, 상기 계측 레인지보다도 넓기 때문에, 상기 계측 레인지에 의거하여 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 한 상기한 경우에 비하여, 상기 변위부가 상기 변위를 행하는 회수를 더욱 저감할 수 있다.
그런데, 통상, 기준면부터의 높이에 대응하는 위상차가 2π를 초과하는 경우에도, 근처의 화소 사이의 위상차가 2π를 초과할 가능성은 낮다. 따라서, 본 발명의 상기한 구성에 의하면, 어떤 화소에 관해 계측 레인지에 의거하여 위상이 보정되고, 보정된 위상과, 상기 변위량에 의거하여 다음에 주사된 화소에 관한 계측 레인지가 설정되기 때문에, 위상이 계측 레인지로부터 벗어날 가능성이 낮다. 그 결과, 상기 피사계 심도에 대응하는 범위 내로서, 본래의 위상이 2π이상으로 되는 경우에도 대응할 수 있다.
또한, 상기 단부의 크기는, 상기 계측 대상의 기울기, 다음에 주사되는 위치까지의 거리 등에 의거하여 적절히 설정할 수 있다. 또한, 상기 단부의 크기는, 소정의 크기라도 좋고, 예를 들면 상기 계측 대상의 기울기에 응하여 변화하여도 좋다.
그런데, 어떤 화소에 관해 계측된 높이에는, 노이즈나 오차가 포함되어 있다. 이 때문에, 상기 계측 레인지의 설정은, 이전에 계측한 하나의 화소에 관한 산출 결과에 의거하여 행하여져도 좋지만, 이전에 계측한 복수의 화소에 관한 산출 결과에 의거하여 행하여지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 계측 대상의 높이가 상기 단부에 도달하였는지의 여부의 판단도, 마찬가지로 행하여지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 설정에 있어서, 상기 보정된 위상을 상기 계측 레인지의 중앙으로 하여도 좋고, 계측 대상의 높이가 상승 경향인 경우에 상기 보정된 위상을 상기 계측 레인지의 하한으로 하여도 좋고, 계측 대상의 높이가 하강 경향인 경우에 상기 보정된 위상을 상기 계측 레인지의 상한으로 하여도 좋다. 마찬가지로, 상기 계측 레인지는, 상기 설정된 기준면을 중앙으로 하여도 좋고, 계측 대상의 높이가 상승 경향의 경우에 하한으로 하여도 좋고, 계측 대상의 높이가 하강 경향의 경우에 상한으로 하여도 좋다.
그런데, 통상, 부품의 검사 등에 3차원 형상 계측 장치를 이용하는 경우, 상기 부품이 대략적인 치수가 미리 정해져 있기 때문에, 부품의 각 위치에서의 계측 레인지도 정해지게 된다.
따라서 상기 계측 대상의 위치와 계측 레인지를 대응시켜서 기억부에 기억하여 두고, 상기 화소에 대응하는 상기 계측 대상의 위치를 특정하고, 특정한 위치에 대응하는 계측 레인지를 기억부로부터 판독하고, 판독한 계측 레인지에 의거하여, 상기 위상을 보정하여도 좋다. 이 경우, 상기 계측 대상의 위치에 대응하여 계측 레인지가 설정되기 때문에, 위상이 계측 레인지로부터 벗어날 가능성이 낮다. 그 결과, 본래의 위상이 2π 이상이 되는 경우에도 대응할 수 있다.
그런데, 상기 광 패턴을 촬상한 화상에는, 상기 광 패턴의 화상 외에, 상기 계측 대상 자신의 화상이 배경 성분으로서 포함되게 된다. 상기 광 패턴과 상기 배경 성분과의 구별이 곤란한 경우, 상기 위상 산출 수단이 산출하는 상기 광 패턴의 위상의 오차가 증대하게 되어, 상기 계측 대상의 높이의 정확한 계측이 곤란해진다.
그래서, 본 발명에 관한 3차원 형상 계측 장치에서는, 상기 계측 헤드는, 상기 계측 대상에 있어서 상기 광 패턴이 투영된 영역인 광 패턴 조사 영역을 촬상하는 제 1의 라인 센서와, 상기 계측 대상에 있어서 상기 광 패턴이 투영되지 않은 영역인 광 패턴 비조사 영역을 촬상하는 제 2의 라인 센서를 구비하고 있고, 상기 위상 산출 수단이 이용하는 화상은, 제 2의 라인 센서가 촬상한 화상을 이용하여, 제 1의 라인 센서가 촬상한 화상으로부터 배경 성분을 제거한 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 배경 성분을 제거한 화상을 취득할 수 있기 때문에, 상기 위상 산출 수단이 상기 광 패턴의 위상을 정밀도 좋게 산출할 수 있고, 상기 계측 대상의 높이를 정밀도 좋게 계측할 수 있다. 또한, 1회의 주사로 상기 배경 성분을 제거할 수 있기 때문에, 상기 계측 대상의 높이를 신속하게 계측할 수 있다. 또한, 이군 2의 라인 센서는, 예를 들면 적색, 녹색 및 청색을 각각 촬상하는 3개의 라인 센서를 포함하여도 좋다.
최후로, 제어 유닛(16)의 각 기능 블록, 특히 주제어부(45)는, 하드웨어 로직에 의해 구성하여도 좋고, 다음과 같이 CPU를 이용하여 소프트웨어에 의해 실현하여도 좋다.
즉, 제어 유닛(16)은, 각 기능을 실현한 제어 프로그램의 명령을 실행하는 CPU, 상기 프로그램을 격납한 ROM, 상기 프로그램을 전개하는 RAM, 상기 프로그램 및 각종 데이터를 격납하는 메모리 등의 기억 장치(기록 매체) 등을 구비하고 있다. 그리고, 본 발명의 목적은, 상술한 기능을 실현하는 소프트웨어인 제어 유닛(16)의 제어 프로그램의 프로그램 코드(실행 형식 프로그램, 중간 코드 프로그램, 소스 프로그램)를 컴퓨터에서 판독 가능하게 기록한 기록 매체를, 상기 제어 유닛(16)에 공급하고, 그 컴퓨터(또는 CPU나 MPU)가 기록 매체에 기록되어 있는 프로그램 코드를 판독하여 실행함에 의해서도 달성 가능하다.
상기 기록 매체로서는, 예를 들면, 자기 테이프나 카세트 테이프 등의 테이프계, 플로피디스크(등록상표) 디스크/하드 디스크 등의 자기 디스크나 CD-ROM/MO/MD/DVD/CD-R 등의 광디스크를 포함하는 디스크계, IC 카드(메모리 카드를 포함한다)/광카드 등의 카드계, 또는 마스크 ROM/EPROM/EEPROM/플래시 ROM 등의 반도체 메모리계 등을 이용할 수 있다.
또한, 제어 유닛(16)을 통신 네트워크와 접속 가능하게 구성하고, 상기 프로그램 코드를 통신 네트워크를 통하여 공급하여도 좋다. 이 통신 네트워크로서는, 특히 한정되지 않고, 예를 들면, 인터넷, 인트라넷, 엑스트라넷, LAN, ISDN, VAN, CATV 통신망, 가상 전용망(virtual private network), 전화 회선망, 이동체 통신망, 위성 통신망 등이 이용 가능하다. 또한, 통신 네트워크를 구성하는 전송 매체로서는, 특히 한정되지 않고, 예를 들면, IEEE1394, USB, 전력선 반송, 케이블 TV 회선, 전화선, ADSL 회선 등의 유선이라도, IrDA나 리모트 콘트롤과 같은 적외선, Bluetooth(등록상표), 802.11 무선, HDR, 휴대 전화망, 위성 회선, 지상파 디지털망 등의 무선이라도 이용 가능하다. 또한, 본 발명은, 상기 프로그램 코드가 전자적인 전송으로 구현화된, 반송파에 매입된 컴퓨터 데이터 신호의 형태라도 실현될 수 있다.
또한, 발명을 실시하기 위한 형태의 항에 있어서 한 구체적인 실시 양태 또는 실시예는, 어디까지나, 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하는 것이고, 그들의 구체예로만 한정하여 협의로 해석하여야 할 것이 아니라, 본 발명의 정신과 다음에 기재한 특허청구의 범위 내에서, 여러가지로 변경하여 실시할 수 있는 것이다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 계측 레인지를 유지하면서, 계측 가능한 높이를 간편하게 확장할 수 있기 때문에, 예를 들면 실장 기판을 검사하는 화상 검사 장치 등에 알맞게 적용할 수 있다.
10 : 3차원 형상 계측 시스템(3차원 형상 계측 장치)
11 : 반송 유닛
12 : 계측 대상
13 : 투광 유닛
14 : 광 패턴
15 : 촬상 유닛
16 : 제어 유닛
17 : 계측 헤드
18 : z축 이송 기구(변위부)
31 : 광원
32 : 패턴 생성 소자
33 : 광학계
34 : 라인 센서
35 : 광학계
41 : 반송 테이블(부착대)
42 : 서보 모터
43 : 리니어 스케일러
44 : 화상 취득부
45 : 주제어부
46 : 기억부
47 : 입력·설정부
48 : 반송 제어부
49 : 투광 제어부
50 : z축 이송 제어부(변위부 제어 수단)
72 : 배경 제거부
74 : Hilbert 변환부
75 : 위상 산출부(위상 산출 수단)
76 : 위상차 산출부
77 : 높이 산출부(높이 산출 수단)
78 : 이송량 산출부(변위부 제어 수단)
81 : 이송 판정부(변위부 제어 수단)
82 : 위상차 산출부(위상 보정 수단)
83 : 계측 레인지 변경부(계측 레인지 설정 수단)

Claims (7)

  1. 계측 대상에 투영된, 위치에 응하여 주기적으로 휘도가 변화하는 광 패턴을 해석함에 의해, 상기 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 장치로서,
    상기 계측 대상의 높이의 기준이 되는 기준면을 가지며, 상기 계측 대상이 부착되는 부착대와,
    상기 계측 대상 및 상기 기준면에 상기 광 패턴을 투영하고, 투영한 광 패턴을 촬상하는 계측 헤드와,
    상기 부착대 및 상기 계측 헤드의 적어도 한쪽의 상기 계측 대상의 높이 방향으로의 변위를 행하게 하는 변위부와,
    상기 계측 헤드가 촬상한 화상에 포함되는, 어떤 화소에서의 상기 광 패턴의 위상을 산출하는 위상 산출 수단과,
    그 위상 산출 수단이 산출한 위상에 의거하여, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 높이 산출 수단과,
    그 높이 산출 수단이 산출한 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 변위부를 제어하는 변위부 제어 수단을 구비하고 있고,
    상기 높이 산출 수단은, 상기 위상 산출 수단이 산출한 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 부착대의 기준면부터 상기 계측 헤드까지의 높이의 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 상기 계측 대상의 높이를 산출하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 산출한 상기 계측 대상의 높이가, 상기 위상이 취할 수 있는 범위를 나타내는 계측 레인지에 대응하는 높이 방향의 범위에서의 단부에 도달하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변위부 제어 수단은, 상기 높이 산출 수단이 산출한 상기 계측 대상의 높이가, 상기 계측 헤드의 피사계 심도에 대응하는 범위의 단부에 도달하면, 상기 변위부에 상기 변위를 행하게 하고 있고,
    상기 위상 산출 수단이 산출한 위상을, 상기 위상이 취할 수 있는 범위를 나타내는 계측 레인지에 의거하여 보정하는 위상 보정 수단을 더 구비하고 있고,
    상기 높이 산출 수단은, 상기 위상 보정 수단이 보정한 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하고 있고,
    상기 위상 보정 수단이 보정한 위상과, 상기 변위량에 의거하여, 상기 계측 레인지를 설정하는 계측 레인지 설정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계측 헤드는,
    상기 계측 대상에 있어서 상기 광 패턴이 투영된 영역인 광 패턴 조사 영역을 촬상하는 제 1의 라인 센서와,
    상기 계측 대상에 있어서 상기 광 패턴이 투영되지 않는 영역인 광 패턴 비조사 영역을 촬상하는 제 2의 라인 센서를 구비하고 있고,
    상기 위상 산출 수단이 이용하는 화상은, 제 2의 라인 센서가 촬상한 화상을 이용하여, 제 1의 라인 센서가 촬상한 화상으로부터 배경 성분을 제거한 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 장치.
  6. 계측 대상에 투영된, 위치에 응하여 주기적으로 휘도가 변화하는 광 패턴을 해석함에 의해, 상기 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 장치의 3차원 형상 계측 방법으로서,
    상기 계측 대상과, 그 계측 대상이 부착된 부착대를 가지며, 또한 상기 계측 대상의 높이의 기준이 되는 기준면에 상기 광 패턴을 투영하고, 투영한 광 패턴을 촬상하는 계측 헤드가 촬상한 화상에 포함되는, 어떤 화소에서의 상기 광 패턴의 위상을 산출하는 위상 산출 스텝과,
    그 위상 산출 스텝에서 산출된 위상에 의거하여, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 높이 산출 스텝과,
    그 높이 산출 스텝에서 산출된 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 부착대 및 상기 계측 헤드의 적어도 한쪽을 상기 계측 대상의 높이 방향으로 변위시키는 변위부를 제어하는 변위부 제어 스텝을 포함하고 있고,
    상기 높이 산출 스텝은, 상기 위상 산출 스텝에서 산출된 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 부착대의 기준면부터 상기 계측 헤드까지의 높이의 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 방법.
  7. 계측 대상에 투영된, 위치에 응하여 주기적으로 휘도가 변화하는 광 패턴을 해석함에 의해, 상기 계측 대상의 3차원 형상을 계측하는 3차원 형상 계측 장치를 동작시키기 위한 3차원 형상 계측 프로그램으로서, 이하의 각 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 3차원 형상 계측 프로그램:
    상기 계측 대상과, 그 계측 대상이 부착되는 부착대가 가지며, 또한 상기 계측 대상의 높이의 기준이 되는 기준면에 상기 광 패턴을 투영하고, 투영한 광 패턴을 촬상하는 계측 헤드가 촬상한 화상에 포함되는, 어떤 화소에서의 상기 광 패턴의 위상을 산출하는 위상 산출 스텝;
    그 위상 산출 스텝에서 산출된 위상에 의거하여, 상기 계측 대상의 높이를 산출하는 높이 산출 스텝; 및
    그 높이 산출 스텝에서 산출된 상기 계측 대상의 높이에 의거하여, 상기 부착대 및 상기 계측 헤드의 적어도 한쪽을 상기 계측 대상의 높이 방향으로 변위시키는 변위부를 제어하는 변위부 제어 스텝,
    여기서, 상기 높이 산출 스텝은, 상기 위상 산출 스텝에서 산출된 위상에 의거하여 높이를 산출하고, 산출한 높이를, 상기 부착대의 기준면부터 상기 계측 헤드까지의 높이의 상기 변위부에 의한 변위량에 의거하여 보정함에 의해, 상기 계측 대상의 높이를 산출하고 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 계측 프로그램.
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