(57)【要約】【課題】簡単な構成で、測定対象の任意の複数箇所を同時に容易に測定可能な３次元計測方法と装置を提供する。【解決手段】測定対象２０に投光するための光源１２と、光源１２からの光を測定対象２０に投光する照明光学系を有する。測定対象２０を撮影する対物レンズ２４と結像レンズ２６とカメラ３２とを備えた撮影装置を有する。照明光学系の投影レンズ１６の焦点位置であって対物レンズ２４の測定対象側焦点位置と共役の位置に設けられ、光源１２からの光を任意の位置で測定対象２０側に投光可能にするシャッタ装置１４を備える。カメラ３２で撮影した測定対象２０の画像を処理して、測定対象２０の複数の位置情報を演算する画像処理装置３６と、画像処理装置３６の指示によりシャッタ装置１４の投光位置を制御するシャッタ制御装置３８を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象を撮影して、この測定対象の形状及び配置を認識する測定対象認識工程と、前工程により認識した前記測定対象上の複数の位置に対して、所定位置に設定された複数の点状の照射光をシャッタ装置を介して投光し、前記点状の照射光が前記測定対象の所定の位置で反射した各反射光をカメラにより撮影し、前記測定対象上での前記複数の位置情報を演算する位置情報演算工程とを有したことを特徴とする３次元計測方法。
【請求項２】
前記位置情報演算工程は、前記測定対象認識工程で把握した個々の測定対象の位置の基準値に対する異なりを補正し、前記シャッタ装置の投光位置を制御して、前記照射光を前記測定対象の所定の位置に投光する請求項１記載の３次元計測方法。
【請求項３】
測定対象に投光するための光源と、この光源からの光を前記測定対象に投光する照明光学系と、前記測定対象を撮影する対物レンズと結像レンズとカメラとを備えた撮影装置と、前記照明光学系の投影レンズの焦点位置であって前記対物レンズの前記測定対象側焦点位置と共役の位置に設けられ前記光源からの光を任意の位置で前記測定対象側に投光可能にするシャッタ装置と、前記カメラで撮影した前記測定対象の画像を処理して、前記測定対象の複数の位置情報を演算する画像処理装置と、前記画像処理装置の指示により前記シャッタ装置の投光位置を制御するシャッタ制御装置とを備え、前記画像処理装置は、前記シャッタ装置を経て前記測定対象に照射された照射光の反射光を含む前記測定対象の画像により、前記測定対象の前記複数の位置情報を演算することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項４】
前記対物レンズの光路上に、透光面が平行な平行部と一方の面に対して傾斜面を有するプリズム部とを有した台形プリズムを設け、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を、前記平行部を通過する前記反射光と、前記プリズムを通過する前記反射光とにより、三角測量法を用いて計測する請求項３記載の３次元計測装置。
【請求項５】
前記結像レンズの前記カメラ側の光路上に、ビームスプリッタを設け、前記反射光を前記ビームスプリッタにより前記カメラへ投光するとともに、前記カメラと異なる測定用のカメラを設け、前記ビームスプリッタと間にシリンドリカルレンズを配置し、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を非点収差法により、前記測定用のカメラのイメージセンサに映る前記測定対象上の前記反射光形状の違いにより前記測定対象の位置情報を得る請求項３記載の３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学的計測方法とイメージセンサを用いて、高さ寸法等の測定を行う３次元計測方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば電子部品の製造工程において、製品寸法、部品位置や高さの良否を非接触で画像処理技術を用いて判定する計測装置が利用されている。この計測装置として、例えば特許文献１に開示されているように、スポット光を測定対象物表面で複数方向から走査し、その反射光を基に三角測量法により、検査対象製品の高さを算出する装置が用いられている。
【０００３】
しかし、このような計測装置の場合、測定対象の全範囲をレーザ光等により走査して情報を取り込み、演算処理をして所定部位の高さに関する値を算出しているため、計測時間がかかる上、データ量が多くなり、計算処理時間もかかるという問題があった。
【０００４】
一方、測定対象物を走査してデータを取得する方法以外の３次元測定法として、特許文献２に開示されているように、被測定物の表面に所定のパターンを投影して、３次元的形状測定を行う方法も利用されている。この測定によるパターン投影には、例えばＤＭＤ（digital
micromirror device）と称される投影装置が用いられている。ＤＭＤは、十数μｍの微小なマイクロミラーを多数格子状に２次元的に配置して構成され、各マイクロミラーは２方向に傾斜可能に設けられている。その傾斜方向は、各マイクロミラーの直下に設けられたメモリ素子による静電界作用によって変化させるもので、静電気力を受けているマイクロミラーが第１の傾斜方向に傾斜し、静電気力を受けていないマイクロミラーは第２の傾斜方向に傾斜する。これにより、所望のマイクロミラーを所定の方向に傾斜させ、光の照射方向を制御するものである。
【０００５】
また、特許文献３に開示されているように、共焦点撮像系の内部に、同時並列に共焦点検出する多数の検出器の各検出器に対応するスポット光毎に、照射強度を調節可能な液晶ディスプレイ素子から成る画素単位調光機構を備え、画素単位で照明光の強さあるいは検出器への入射光量を制御可能とし、各部分毎に最適な照明光量とし、精度良く計測データを得ることができる装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２４３４２１号公報
【特許文献２】特開平１１−２３０７２６号公報
【特許文献３】特開２０００−２７５０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献２に開示された３次元計測方法の場合、ＤＭＤにより投影される位置を、予めＤＭＤを制御する装置のメモリに登録しておく必要があり、測定対象の任意の箇所を選択的に測定することが容易でないと言う問題がある。また、特許文献３に開示された３次元測定方法も、スポット光毎に照射強度を調節可能ものであるが、測定対象の任意の箇所を選択的に測定するものではない。さらに、特許文献２，３に開示された測定方法の場合、測定対象物の配置や角度等の位置が変わると、照射光の位置設定をやり直す必要があり、制御用のメモリ等を設定し直して測定するので、多数の測定対象の位置が各々不安定な場合の測定や、短時間での計測や判定が求められる環境では測定時間がかかり利用できないものであった。
【０００８】
この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、測定対象の任意の複数箇所を同時に容易に測定可能な３次元計測方法と装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、測定対象を撮影して、この測定対象の形状及び配置を認識する測定対象認識工程と、前工程により認識した前記測定対象上の複数の位置に対して、所定位置に設定された複数の点状の照射光をシャッタ装置を介して投光し、前記点状の照射光が前記測定対象の所定の位置で反射した各反射光をカメラにより撮影し、前記測定対象上での前記複数の位置情報を演算する位置情報演算工程とを有した３次元計測方法である。
【００１０】
前記位置情報演算工程は、前記測定対象認識工程で把握した個々の測定対象の位置の基準値に対する異なりを補正し、前記シャッタ装置の投光位置を制御して、前記照射光を前記測定対象の所定の位置に投光するものである。
【００１１】
またこの発明は、測定対象に投光するための光源と、この光源からの光を前記測定対象に投光する照明光学系と、前記測定対象を撮影する対物レンズと結像レンズとカメラとを備えた撮影装置と、前記照明光学系の投影レンズの焦点位置であって前記対物レンズの前記測定対象側焦点位置と共役の位置に設けられ前記光源からの光を任意の位置で前記測定対象側に投光可能にするシャッタ装置と、前記カメラで撮影した前記測定対象の画像を処理して、前記測定対象の複数の位置情報を演算する画像処理装置と、前記画像処理装置の指示により前記シャッタ装置の投光位置を制御するシャッタ制御装置とを備え、前記画像処理装置は、前記シャッタ装置を経て前記測定対象に照射された照射光の反射光を含む前記測定対象の画像により、前記測定対象の前記複数の位置情報を演算する３次元計測装置である。
【００１２】
前記対物レンズの光路上に、透光面が平行な平行部と一方の面に対して傾斜面を有するプリズム部とを有した台形プリズムを設け、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を、前記平行部を通過する前記反射光と、前記プリズムを通過する前記反射光とにより、三角測量法を用いて計測するものである。
【００１３】
前記結像レンズの前記カメラ側の光路上に、ビームスプリッタを設け、前記反射光を前記ビームスプリッタにより前記カメラへ投光するとともに、前記カメラと異なる測定用のカメラを設け、前記ビームスプリッタと間にシリンドリカルレンズを配置し、前記画像処理装置は、前記測定対象の位置を非点収差法により、前記測定用のカメラのイメージセンサに映る前記測定対象上の前記反射光形状の違いにより前記測定対象の位置情報を得るものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の３次元計測方法と装置は、簡単な構造で、任意の複数位置の高さ情報等を容易に短時間で測定することができるものである。これにより、製造ライン上での多数の製品の形状測定や製品検査等を高速で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の第一実施形態の３次元計測装置を示す概略図である。
【図２】第一実施形態の３次元計測方法による照射光の照射状態を示す概略斜視図である。
【図３】第一実施形態の３次元計測方法において、三角測量法を用いて３次元測定する方法を示す概略図である。
【図４】第一実施形態の三角測量法による照射光及び反射光の光路を示す模式図である。
【図５】この発明の第二実施形態の３次元計測方法において、非点収差法を用いて３次元測定する方法を示す概略図である。
【図６】第二実施形態の非点収差法により変化する照射光を示す上面図（ａ）、正面図（ｂ）、及び焦点位置の照射光形状を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図４はこの発明の第一実施形態を示すもので、この実施形態の３次元計測装置１０の基本的な構成は、図１に示すように、ＬＥＤやその他の光源１２を有した同軸落射照明の照明光学系を備え、この光源１２からの光を遮蔽するとともに任意の複数箇所の点でスポット光状の照射光Ｌとして透過または反射して投光する後述のシャッタ装置１４を備える。さらにこの光学系は、測定対象２０に光源１２からの照射光を平行光にする投影レンズ１６と、投影レンズ１６の近傍に設けられた絞り１８を備えている。さらに、絞り１８を通過した光源１２からの光を分岐させる半透明のビームスプリッタ２２を備え、ビームスプリッタ２２に対して測定対象２０側には、対物レンズ２４が設けられている。
【００１７】
ビームスプリッタ２２に対して測定対象２０とは反対側には、結像レンズ２６が位置し、結像レンズ２６の入射側には、絞り２８が位置し、結像レンズ２６の焦点位置にはＣ−ＭＯＳやＣＣＤ等のイメージセンサ３０を備えたカメラ３２が設けられている。測定対象２０を撮影する対物レンズ２４と結像レンズ２６、及びカメラ３２とにより撮影装置を構成している。この実施形態の撮影光学系は、テレセントリック光学系により構成されている。
【００１８】
シャッタ装置１４は、液晶装置やＤＭＤにより構成され、シャッタ装置１４の位置は、対物レンズ２４の測定対象２０側の焦点位置と光学的に共役となる位置に設けられている。シャッタ装置１４は、後述するシャッタ制御装置３８によりマトリクス状に配置された液晶装置の画素やＤＭＤの格子状に配列されたマイクロミラーにより、任意の箇所で透光可能、又は光を所定位置に反射するように制御される。以下、この実施形態では説明の簡略のため、シャッタ装置１４により光源１２の光が測定対象２０側の所定位置に照射される状態を投光と表現する。
【００１９】
イメージセンサ３０により捉えられた測定対象２０の画像は、カメラ３２内で所定のデジタルデータに処理されて、撮影画像メモリ３４に出力され記録される。撮影画像メモリ３４はコンピュータや画像処理回路素子により構成された画像処理装置３６に接続され、画像処理装置３６は、測定対象２０の高さ情報等を後述の方法により演算可能に設けられている。さらに画像処理装置３６は、シャッタ制御装置３８に接続され、シャッタ装置１４の投光位置を指示する。画像処理装置３６には、画像処理した画像データ等を表示するモニタ４０と、シャッタ制御装置３８に対して投光位置を指定するための情報を画像処理装置３６に入力するキーボードやマウス等の入力装置４２も接続されている。
【００２０】
次に、この実施形態の３次元計測装置１０を用いた高さ測定方法について以下に説明する。この実施形態での測定対象２０は、例えば電子回路部品等の製品であり、回路基板表面に所定のチップ２０ａや素子２０ｂが正確に取り付けられているか否か等を検査するものである。測定に際して、測定範囲、測定位置毎の良品データの範囲、測定対象２０の形状等が、予め画像処理装置３６にデータとして保持される。測定位置は、測定対象２０の形状データの所定の原点から、相対的に設定される位置とする。ここでは、チップ２０ａや素子２０ｂのあるべき所定位置が、測定対象２０の所定の３次元測定位置である。
【００２１】
光源１２からの照明光による照射光位置のキャリブレーション方法としては、例えば３次元計測装置１０を組み立てた後、光源１２からの光をシャッタ装置１４の各画素毎等の最小投光単位毎に投光状態にして、液晶装置の各画素やＤＭＤの行列配置による照射光の位置を、カメラ３２の撮像画像上の位置として記録する方法等がある。これにより、後に照射光による投光を行う際の投光位置を、画像処理装置３６で容易に演算可能とする。
【００２２】
検査対象２０の測定に際しては、第１の工程として、測定対象２０の互いに直交するＸＹ軸平面上の位置をカメラ３２で撮影し、その画像を、画像処理装置３６により処理して、各測定対象２０の位置について、基準値に対するその測定対象２０の位置や傾きを把握する。この画像処理では、公知の画像処理方法を用いて、測定対象２０の輪郭等を抽出して比較する測定を行うことにより、各位置情報を認識することができる。この後、認識した測定対象２０のＸＹ平面上の輪郭等による位置を基に、測定対象２０の、基準位置に対する傾きを補正する演算等を行い、先に決定した基準位置に対する今回の３次元測定位置を補正した補正測定位置を設定する。
【００２３】
この後、第２の工程として、設定した補正測定位置に光源１２からの複数の照射光Ｌ、例えば図２に示すように、２本の照射光Ｌａ，Ｌｂを、チップ２０ａや素子２０ｂの所定位置に照射する。照射光Ｌａ，Ｌｂは、シャッタ装置１４の液晶素子やマイクロミラー等のマトリクス状の各制御素子のうちの投光位置Ｓａ，Ｓｂを、投光可能状態に制御することにより形成する。照射光Ｌａ，Ｌｂは、測定対象２０上の平面であるＸＹ軸平面と直交するＺ軸方向から測定対象２０に照射される。ここでのシャッタ装置１４の投光制御は、画像処理装置３６による第１の工程での演算結果を基にした投光位置設定信号により、シャッタ制御装置３８が、シャッタ装置１４の所定の素子位置を投光可能に制御して、投光位置とすることにより行われる。
【００２４】
測定対象２０のチップ２０ａや素子２０ｂのあるべき所定位置で反射した、照射光Ｌａ，Ｌｂの反射光ＲＬは、ビームスプリッタ２２を透過して絞り２８を通過し、結像レンズ２６によりイメージセンサ３０上に結像する。
【００２５】
イメージセンサ３０上で結像した像を基にした高さ測定は、この実施形態では、公知の三角測量法を用いる。具体的には、図３，図４に示すように、対物レンズ２４と測定対象２０との間に台形プリズム４４を配置する。ここで、第１の工程における撮像には、台形プリズム４４の平行部４４ａを用いる。高さ測定には、照射光Ｌの反射光ＲＬのうち台形プリズム４４の平行部４４ａを通過する反射光ＲＬ１とプリズム部４４ｂを透過するＲＬ２とを利用する。
【００２６】
この三角測量法の原理は、図３，図４に示すように、平行部４４ａを通過した反射光ＲＬ１のイメージセンサ３０上での位置は、測定位置のＺ方向位置が変わっても変化しないが、反射光ＲＬ２は、照射光Ｌが照射されるＺ方向位置が異なると、反射光ＲＬ２のイメージセンサ３０上での結象位置が異なる。この変位は、図４に示すように、測定対象２０の高さ方向（Ｚ軸方向）の基準位置ｃ１に対して、変位位置ｃ２，ｃ３のようにＺ軸方向に位置が上下に変位した場合、反射光ＲＬ２は、プリズム部４４ｂを通過する反射光ＲＬ２の位置が、基準位置ｃ１からの反射光ＲＬ２（ｃ１）と、変位位置からの反射光ＲＬ２（ｃ２），ＲＬ２（ｃ３）のように変位する。これにより、反射光ＲＬは、ＸＹ軸方向に位置が、例えば反射光ＲＬ１，ＲＬ２で、Ｘ方向位置ｘ１からＸ方向位置ｘ２に対応して変位し、このＸＹ軸上での変位がイメージセンサ３０の各画素上での位置の変位として検知される。そして、測定対象２０上でのＺ軸方向の位置変位量と、それに対応したイメージセンサ３０上の位置変位量との関係を予め求めて、画像処理装置３６やそれに接続された記憶装置に記憶させておくことにより、容易に高さ情報を演算して得ることができる。
【００２７】
イメージセンサ３０により得られた画像は、画像メモリ３４に記憶され、この画像データを基に画像処理装置３６により、Ｚ軸方向の位置である高さ情報が計算され、記録されるとともにモニタ４０に表示される。
【００２８】
この実施形態の３次元計測方法と装置によれば、簡単な装置で、複数の測定点での高さ方向（Ｚ軸方向）の測定を行うことができ、測定対象２０の所定位置で、あるべき部品の高さ位置を測定し、所定の高さ情報が得られない場合には不良と判断すること等により、製品検査等において、正確に不良品の検出を行うことができる。しかも、測定対象２０の測定時の位置がずれている場合でも、第１の工程による撮影で、測定対象２０の位置補正が行われ、第２の工程による複数箇所での照射光のＬの照射位置を正確に修正して所定位置に照射することができ、想定対象２０の所望位置での高さ測定を、容易且つ迅速に行うことができる。
【００２９】
次にこの発明の第二実施形態について、図５、図６を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の３次元計測装置４６は、図５に示すように、高さ測定用にイメージセンサ５０を備えた測定用カメラ５２が設けられ、結像レンズ２６と測定用カメラ５２の間にビームスプリッタ５４が設けられて、測定対象２０からの反射光ＲＬをカメラ３２と測定用カメラ５２に分岐させている。イメージセンサ５０とビームスプリッタ５４の間にはシリンドリカルレンズ５６が配置されている。
【００３０】
この実施形態では、測定対象２０のＺ軸方向の変位情報を、シリンドリカルレンズ５６を利用した非点収差法により測定するものである。この非点収差法は、シリンドリカルレンズ５６により、測定対象２０からの反射光ＲＬの焦点位置付近での像形状が、その前後で変わることを利用して、Ｚ軸方向の位置を測定するものである。反射光ＲＬは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、レンズ面の円筒面の軸方向から見た焦点位置が、図６（ａ）と、それと直角方向から見た焦点位置図６（ｂ）とでは、光軸方向に異なり、結果的に図６（ｃ）に示すように、光軸方向の結象位置の違いがイメージセンサ５０上での反射光の形状の違いとして表れる。反射光ＲＬのイメージセンサ５０上での反射光ＲＬの形状は、図６（ｃ）に示すように、前焦点位置Ａ−Ａの反射光像形状ＲＬ（Ａ）から、中央位置Ｂ−Ｂの反射光像形状ＲＬ（Ｂ）、後焦点Ｃ−Ｃの反射光像形状ＲＬ（Ｃ）に変化する。この変化する反射光像の形状を、前焦点のＡ−Ａ位置から後焦点Ｃ−Ｃ位置まで、予め所定の焦点位置毎に細かく段階的に記憶装置等に記憶させ、画像処理装置３６により測定時の反射光像形状を基準形状等と比較することにより、測定対象２０に対する照射光Ｌの照射位置の違いによる反射光ＲＬの反射光像形状の違いとして、Ｚ軸方向高さを相対的に測定することができる。
【００３１】
この実施形態の３次元計測装置４６も、上記第一実施形態と同様の効果を有するものであり、多数の測定点のＺ軸方向の情報も容易に取得可能なものである。
【００３２】
なお、この発明の３次元計測方法と装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、光源からの照射光は適宜の光源を選択することができ、測定対象の位置測定も、三角測量法や非点収差法以外の光学的測量法を利用することも可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ３次元計測装置
１２  光源
１４  シャッタ装置
１６  投影レンズ
１８，２８  絞り
２０  測定対象
２２  ビームスプリッタ
２４  対物レンズ
２６  結像レンズ
３０  イメージセンサ
３２  カメラ
３４  撮影画像メモリ
３６  画像処理装置
３８  シャッタ制御装置
Ｌ  照射光
ＲＬ  反射光
【図１】
2015108582.tif 000003
【図２】
2015108582.tif 000004
【図３】
2015108582.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015108582.tif 000007
【図６】
2015108582.tif 000008