(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光部から投光角度αにて光を照射した測定対象物を撮像角度βの撮像部により撮像し、撮像した画像データから上記測定対象物の形状を測定する形状測定方法であって、
投光部の投光角度α、及び撮像部の撮像角度βをα＋βが略９０度となるように設定し、
基準段差片を用いて投光部の投光角度αを較正し、
続いて、撮像角度βを所望する角度に設定し、
その後、基準段差片を用いて撮像部の撮像角度βを較正することを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
投光部からの光は、スリット光であることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
【請求項３】
投光部からの光は、互いに平行で、離間した複数のスリット光であることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン光投影法等の光切断法のように、測定対象物に対し光を投光し、その投光された測定対象物を撮像して、測定対象物の形状を測定する形状測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品といった測定対象物を、無傷にて全数検査し、かつ検査を高速化するために、測定対象物の形状を非接触で測定したいという要求がある。そのような測定法の一つとして光切断法が知られている。
【０００３】
上記光切断法は、測定台上の測定対象物に対してスリット光を投影し、測定対象物から反射される光切断像をカメラで画像データとして取り込み、三角測量の原理から測定対象物の表面における形状（凹凸の位置）を求めるという方法であり、アパレル用や医用の検査装置に用いられている。
【０００４】
また、上記光切断法においては、スリット光は一本よりも、複数本のスリット光（以下、マルチスリット光）を同時に測定対象物に対して投影する方法（パターン光投影法）が有効である。これは、複数点の測定を同時に行えることにより、測定時間を大幅に短縮することができるからである。
【０００５】
パターン光投影法といった光切断法では投光角度αと撮像角度βをあらかじめ設定しておく必要があるが、この設置角度が実際の値からずれると測定誤差となる。通常、段差が既知の基準段差片を測定し、測定結果から逆算して角度を較正（キャリブレーション）する方法が用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のキャリブレーション方法は、投光角度αと撮像角度βを設置後、段差（高さ）が既知の基準段差片を測定して角度を較正していたが、一つの基準段差片では、αとβを分離して較正することはできなかった。従って、αとβとの間での相対的な角度（つまりα＋βのみ）のみが算出可能であり、測定対象の水平軸（測定台の表面方向）との相関は取れなかった。
【０００７】
その結果、測定の信頼性が低下するという問題点があった。もともと、アパレル用や医用等の分野で必要となる高さ分解能は数ｍｍから数百μｍ程度のものが多く、前記した問題点はあまり重要ではなかった。
【０００８】
しかし、電子部品自体や、電子部品に用いられる半田バンプ、導電性ペースト等の形状測定（凹凸や厚さ）には数μｍから数十μｍの高さ分解能が必要となってくるため、前記した問題点は無視できなくなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の形状測定方法は、上記課題を解決するために、投光部から投光角度αにて光を照射した測定対象物を撮像角度βの撮像部により撮像し、撮像した画像データから上記測定対象物の形状を測定する形状測定方法であって、投光部の投光角度α、及び撮像部の撮像角度βをα＋βが略９０度となるように設定し、基準段差片を用いて投光部の投光角度αを較正し、続いて、撮像角度βを所望する角度に設定し、その後、基準段差片を用いて撮像部の撮像角度βを較正することを特徴としている。
【００１０】
上記較正方法は、投光部からの光は、スリット光であってもよい。上記較正方法は、投光部からの光は、互いに平行で、離間した複数のスリット光であってもよい。
【００１１】
上記方法によれば、まず、投光部の投光角度α、及び撮像部の撮像角度βをα＋βが略９０度となるように設定することによって、投光角度αと撮像角度βとの設定誤差による測定精度に対する影響を抑制できる。特に、投光角度αが一定のときに、撮像角度βを変化させても、測定値に対する影響をはぼゼロにできる。これにより、上記方法では、投光角度αと撮像角度βとを互いに分離して、個別にそれぞれ較正することが可能となるので、形状（例えば、高さ情報）の測定を、高精度、高信頼性にて実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る形状測定方法について図１ないし図８に基づいて説明すれば、以下の通りである。上記形状測定方法としては、スリット光を用いる光切断法や、複数のスリット光を用いるパターン光投影法が挙げられる。まず、本実施の形態では、光切断法に基づいた形状測定方法を用いる形状測定機を以下に説明する。
【００１３】
光切断法による形状測定機では、測定台１上に載置されたワーク（測定対象物）２の検査表面２ａに対して、投光角度αによって帯状のスリット光３を照射するスリット光投光部４が設けられている。スリット光投光部４は、投光角度αを変化できるように、例えば、中心がワーク２となる半円状のレール上を往復移動可能となっている。
【００１４】
投光角度αは、検査表面２ａ上の法線と、上記光軸と上記検査表面２ａ上の法線との間にて形成される角度であり、通常、０度以上９０度以下の間に設定される。上記検査表面２ａ上の法線とは、スリット光３の光軸と検査表面２ａとの交点から、検査表面２ａの表面方向に対し垂直な方向に延びる仮想線である。
【００１５】
また、光切断法においては、ワーク２からの反射光を撮像する撮像部５が撮像角度βにて設けられている。撮像部５は、撮像角度β変化できるように、例えば、中心がワーク２となる半円状のレール上を往復移動可能となっている。
【００１６】
撮像部５は、反射光を集光するレンズ５ａと、レンズ５ａにより集光した光を画像データ（アナログ電気信号）に変換するＣＣＤ(Charge Coupled Device）５ｂとを有し、レンズ５ａの光軸がほぼ前記交点上を通るように設定されている。なお、上記のＣＣＤに代えて、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 型撮像デバイスや撮像管等を用いてもよい。
【００１７】
撮像角度βとは、前記検査表面２ａ上の法線とレンズ５ａの光軸との間の角度であり、通常、０度以上９０度以下の間に設定される。投光角度αと撮像角度βとは、検査表面２ａが全反射する場合、α＝βでもよいが、通常、検査対象（例えば塗布した導電性ペーストの厚さや、セラミックス表面の傷といった凹凸）に応じてα≠βである。
【００１８】
図２では、スリット光３とレンズ５ａとを含む平面上で、検査表面２ａの表面方向の向きをＸ方向、前記法線方向をＹ方向、検査表面２ａの表面方向に沿い、かつＸ方向に対し直交する方向をＺ方向としている。Ｘ，Ｙ，Ｚの少なくとも何れか表記した以下の各図面においても同様である。
【００１９】
次に、光切断法における、前記画像データから奥行き情報（高さ情報）を導き出す方法を説明する。まず、光切断法の座標変換式を図３及び図４に基づき以下に示す。
【００２０】
（１）定義
有効焦点距離      ：ｆ0     （ｍｍ）
対象物側焦点距離  ：ａ      （ｍｍ）
ＣＣＤ側焦点距離  ：ｂ        （ｍｍ）
光学倍率          ：ｍ＝（ｂ／ａ）
（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ0 ）
ａ＝［１＋（１／ｍ）］・ｆ0   （ｍｍ）
ｂ＝（１＋ｍ）・ｆ0         （ｍｍ）
ただし、ａの値は、レンズ５ａと基準点との距離であり、レンズ５ａと点Ｐとの距離ではない。
【００２１】
0003912092.tif 000002
（２）座標変換式
この時の三次元座標は、
0003912092.tif 000003
で表される。この中で、Ｙの値が奥行き情報（高さ情報）となる。
【００２２】
ただし、
0003912092.tif 000004
である。このようにして、ＣＣＤ５ｂにて撮像された画像データから、検査表面２ａ上の凹凸（高さ情報）を抽出することができる。
【００２３】
次に、このような光切断法に基づいた形状測定方法における投光角度α及び撮像角度βを個別に較正する較正方法の手順を図１に示すキャリブレーション方法を示すフローチャートに基づいて説明する。
【００２４】
まず、例えば、検査対象に合わせて、例えばα＝４５度、β＝０度に設置したい場合、まず、
▲１▼任意の投光角度α（例えばα＝４５度）にスリット光投光部４（図１では投光部と記す）を設置する（ステップ１、以下、ステップをＳと略記する）。
▲２▼図５に示すようにα＋β＝略９０度（例えばα＝４５度、β＝４５度）となるように撮像部５を設置する（Ｓ２）。
▲３▼基準段差片７を測定台１上の測定位置（基準段差片７のほぼ中央が前述の交点となる位置）に載置した後、上記基準段差片７を用い、αを順次変えることによって較正する（Ｓ３）。
▲４▼図６に示すように任意の撮像角度β（例えばβ＝０度）に撮像部５を設置する（Ｓ４）。
▲５▼基準段差片７を用いてβを較正して、較正を完了する（Ｓ５）。
【００２５】
この方法により、αとβとを互いに分離して、別々に較正可能となり、効率良くかつ効果的にパラメータの較正が可能となる。もちろん、他の条件においてもこの手順は効果的である。なお、上記では、α＋β＝略９０度に設定する前に、投光角度αを先に設定したが、先に撮像角度βを設定し、投光角度αをα＋β＝略９０度となるように設定してもよい。上記略９０度とは、９０度±１０度程度を示すが、より好ましくは９０度±２〜３度である。
【００２６】
α＋β＝略９０度にまず設定するのは以下の理由による。図７に示すように、投光角度αと撮像角度βは、α＋β＝略９０の時に、測定精度に与える影響が最少であり、特に投光角度αが一定の時に撮像角度βの変化（ずれ）による測定値への影響は０である。
【００２７】
このため、上記の手順に示すように、最初に、α＋β＝略９０度にスリット光投光部４と撮像部５とを設置することで、撮像角度βの設定誤差は無視でき、投光角度αのみを精度良く較正できる。その後、所望する任意の角度に撮像部５を設置し撮像角度βを較正する。以上の手法によりαとβを互いに分離してそれぞれ高精度にて較正することが可能である。
【００２８】
その結果、本発明の較正方法では、形状測定機に対して、高精度、高信頼性の形状測定（凹凸や厚さ測定）を実現できる。また、上記較正方法においては、較正を１つの基準段差片７のみを用いて実施することが可能であり、基準段差片７を交換する手間が１回だけで済む他、測定におけるコストの削減も可能となる。
【００２９】
次に、本実施の形態の光切断法に代えて、パターン光投影法を用いた一変形例を説明する。図８は本発明で用いるパターン光投影法による形状測定機の構成である。なお、本変形例では、上記実施の形態と同様な機能を有する部材については、同一の部材番号を付与して、それらの説明を省いた。
【００３０】
上記測定機において、上記実施の形態と異なる点は、スリット光投光部４に代えて、複数のスリット光からなるパターン光１３を投光する投光部１４が設けられていることである。上記パターン光１３は、複数のスリット光を互いに平行で、等間隔に有するものである。これにより、検査速度を向上できる。
【００３１】
また、パターン光１３の基準となる位置（例えば、中心線）を基準として投光部１４と撮像部５をそれぞれ投光角度α、及び撮像角度βに設置する場合の較正方法については、図１に示すキャリブレーション方法に準じて実施すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の形状測定方法は、以上に示したように、まず、投光角度α、及び撮像角度βをα＋βが略９０度となるように設定することによって、投光角度αと撮像角度βとをそれぞれ較正することができ、αとβとを互いに分離して高精度に較正・補正することができる。
【００３３】
その結果、上記方法では、形状測定機として高精度、高信頼性の測定が実現できるという効果を奏する。また、この方法では１つの基準段差片のみで較正を実施することが可能であり、基準段差片を交換する手間が１回だけで済む他、コスト削減の効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の形状測定方法に係る実施の形態の手順を示すフローチャートである。
【図２】上記形状測定方法に用いる形状測定機の概略構成図である。
【図３】上記形状測定方法の切断法の原理の一部を説明するための説明図である。
【図４】上記形状測定方法としての切断法の原理を説明する説明図であり、（ａ）はＸＹ平面における説明図、（ｂ）はＺ−物体（ワーク）方向平面における説明図である。
【図５】上記形状測定方法における一手順の説明図である。
【図６】上記形状測定方法における他の手順の説明図である。
【図７】上記較正方法における、投光角度α及び撮像角度βの誤差が測定精度に関与する影響を示すグラフである。
【図８】上記形状測定方法の一変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１    測定台
２    ワーク（測定対象物）
２ａ  検査表面
３    スリット光
４    スリット光投光部（投光部）
５    撮像部
５ａ  レンズ
５ｂ  ＣＣＤ
α    投光角度
β    撮像角度
【図１】
0003912092.tif 000005
【図２】
0003912092.tif 000006
【図３】
0003912092.tif 000007
【図４】
0003912092.tif 000008
【図５】
0003912092.tif 000009
【図６】
0003912092.tif 000010
【図７】
0003912092.tif 000011
【図８】
0003912092.tif 000012