三次元形状測定装置
【課題】 連続移動する測定対象物の三次元形状を、位相シフト法により高速に測定すると共に、垂直解像度や深度を柔軟に設定できる構成とする。
【解決手段】
被測定対象物に対して斜め上方から、投影方向に沿って光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影する格子縞投影器１と、鉛直上方に位置しエリアセンサ６を備えたカメラ２と、被測定対象物を一定方向へ移動させるステージ３とを備え、格子縞は位相が互いにπ／２ずつシフトした４つの帯状領域に分かれており、エリアセンサ６上の各帯状領域につき一本の水平ライン、計４本から画像を読出し、位相シフト法の原理を用いて位相を算出して高さに変換し、被測定対象物の三次元形状を測定する。
【解決手段】
被測定対象物に対して斜め上方から、投影方向に沿って光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影する格子縞投影器１と、鉛直上方に位置しエリアセンサ６を備えたカメラ２と、被測定対象物を一定方向へ移動させるステージ３とを備え、格子縞は位相が互いにπ／２ずつシフトした４つの帯状領域に分かれており、エリアセンサ６上の各帯状領域につき一本の水平ライン、計４本から画像を読出し、位相シフト法の原理を用いて位相を算出して高さに変換し、被測定対象物の三次元形状を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する測定対象物の三次元形状を位相シフト法を用いて測定する装置に関し、特に半導体部品や受動素子部品等の電子部品の搭載されたプリント基板、あるいは、プリント基板の上に印刷されたクリーム半田量を測定するのに好適な、三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、連続して移動する測定対象物の三次元形状を測定する技術として、例えば下記特許文献１に開示されているものがある。これは、移動する被測定対象物の真上から光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影し、格子縞を投影された被測定対象物が格子縞周期のπ／２に相当する距離を移動する度に、斜め上方からＣＣＤエリアカメラを用いてそれを撮像し、格子縞の位相が異なる４つの同一部位画像から位相シフト法の原理を適応して高さ情報を求める。しかしながら、このような構成においては、取得された画像を最も効率よく利用するのにエリアカメラの視野内に格子縞が丁度１周期分結像することが望ましいが、その為にコンベア速度及び測定できる垂直解像度や深度に制約を課すことになる。このような制約を少しでも回避するために、本文献では幾つかの補完的な構成が提案されているが、いずれも装置を複雑化・大型化させる要因となるか、一度取得した画像を無駄に破棄することになり効率が悪い。
【０００３】
一方、特許文献２あるいは特許文献３では、いずれも光の強度が正弦波状に変化する格子縞を斜方より被測定対象物に投影し、その被測定対象物の移動と同期して、真上に配置した３本あるいは４本のリニアアレイを備えるラインセンサで画像を撮像するようになっている。撮像された３本あるいは４本の輝度出力は、被測定対象物の同じ部位を撮像したライン毎に並び替えられ、位相シフト法の原理を適用することによりその部位の高さ情報に変換され、結果としてその被測定対象物の三次元形状が明らかになるというものである。これらの方法によれば、連続して移動する測定対象物の三次元形状を効率よく高速に測定することが可能となる。しかし、複数のリニアアレイを備えるラインセンサを構築するには制約が多い。すなわち、現実的に入手でき利用できるものはカラー用リニアアレイのカラーフィルタを除去したものであり、リニアアレイの本数は３本、間隔は８画素程度で固定という幾何学的な制限がある。リニアアレイの本数が３本に限られるということは、位相決定のためのサンプルポイントが理論上の最低数である３点しか得られないことを意味し、４点以上の場合と比較して位相測定誤差が大きくなってしまう。また、リニアアレイの間隔が固定であるということは、そのリニアアレイ上に結像する投影格子縞の周期も限定されることになり、測定の垂直解像度や深度の選択の自由度を奪うことになってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】 特開平１１−２１１４４３号公報
【特許文献２】 特表２００１−５０３５０６号公報
【特許文献３】 特開２００２−２８６４３３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】 Ｄａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ 「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ」２ｅｄ．ＣＨ．１４ １９９２ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の通り、従来の技術では、移動する測定対象物の三次元形状を効率よく高速に測定しようとすると、投影する格子縞の周期が限定され、測定の垂直解像度や深度に制約を受けてしまう、という問題があった。それを鑑み、本発明の目的は、このような測定の垂直解像度や深度の制約を緩和し、より柔軟性の高い三次元形状測定装置を提供することにある。さらに、本発明によれば、装置の規模を徒に増大させることなく補完的な情報の取得を同時に実現できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、被測定対象物に対して斜め上方より、投影方向に沿って光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影する格子縞投影手段と、前記被測定対象物に対して鉛直上方に位置し二次元撮像素子を備えて該被測定対象物の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像タイミングと同期して前記被測定対象物を載せたステージを前記撮像手段と前記格子縞投影手段に対し相対的に一定方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、前記格子縞投影手段は前記被測定対象物が移動する方向の前方あるいは後方から格子縞を投影するように配置され、該二次元撮像素子からの画像読出しは、互いに前記二次元撮像素子上に結像される前記正弦波状格子縞の周期の１／ｎ（ｎは３以上）の画素距離だけ離れた、計ｎ本の水平ラインから読み出すように制御する画像読出制御手段と、前記ステージ駆動手段が前記正弦波状格子縞の周期の１／ｎに相当する距離だけステージを移動する間に、前記撮像手段が画像を撮像する回数をｍとした時、前記画像読出制御手段によって読み出されたｎ本のライン画像情報を一時的に保持する、前記被測定対象物の移動方向から見て最も遠い水平ラインから（ｎ−１）×ｍ＋１、（ｎ−２）×ｍ＋１、…、ｍ＋１、１本分のライン容量をそれぞれ備えた、先入れ先出し型ライン画像情報保持手段と、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出する高さ演算手段とをさらに備え、前記撮像手段は前記ステージ駆動手段によるステージの移動と同期して前記被測定対象物を撮像し、その度に前記画像読出手段は前記二次元撮像素子のｎ本の水平ラインからライン画像情報を読み出して前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段へ格納し、同時に、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出して、連続的に移動する被測定対象物の形状を測定することができるようにした。
【０００８】
また、別の構成においては、前記格子縞投影手段は、前記被測定対象物が移動する方向に対し側方から格子縞を投影するように配置され、該格子縞は、投影方向に沿った等幅で帯状のｎ（ｎは３以上）個の帯領域に分けられ、各々の帯領域の格子縞は周期は同一であるがその位相を順次２π／ｎずつずらして投影され、前記画像読出手段は、前記帯領域が前記二次元撮像素子上に結像される幅をｗとした時に、該帯領域が各々１水平ラインを含み、さらに互いに間隔ｗだけ離れているように配置された計ｎ本の水平ラインから画像読出しすることにより、前記格子縞の周期と前記画像読出しの間隔ｗとを独立に設定することを可能とした。
【０００９】
さらに、前記撮像手段の視野内で垂直方向に複数の領域を設け、前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる周期の格子縞を投影するようにし、該複数の領域毎に前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段をそれぞれ備えることにより、垂直解像度の異なる高さ情報を同時に得ることができるようにした。
【００１０】
同様に、前記撮像手段の視野内に垂直方向に複数の領域を設け、複数の前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる方向から格子縞を投影し、前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段を該領域毎にそれぞれ備えることにより、格子縞の投影方向によって生じる影の影響を除去するようにした。
【００１１】
また、前記撮像手段の視野内で垂直方向に三つの領域を設け、一つの領域には赤色（Ｒ）、次は緑色（Ｇ）、最後は青色（Ｂ）をそれぞれ照射する三色投射手段と、該領域毎に１水平ラインを読み出す前記画像読出制御手段と、移動する前記被測定対象物の同一部位が同じ画像位置に来るよう該領域の間隔に合わせて遅延を生じさせる前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段とを備えることにより、連続的に移動する被測定対象物の二次元カラー画像を同時に取得できるようにした。
【００１２】
さらに、前記被測定対象物の形状に関し良品を規定する基準範囲を記憶する基準範囲記憶手段と、実際に測定された前記被測定対象物の三次元形状ないし二次元形状が該基準範囲を満たすかどうかを判定する判定部とを備え、該基準範囲に基づいて被測定対象物の良否を判定することをできるようにした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、連続移動する測定対象物の三次元形状を高速に測定できる。さらに、位相シフト法における格子縞のピッチとカメラの撮像タイミングとの間にある制約を緩和し、測定の垂直解像度や深度の選択に広い自由度を与え、より柔軟性の高い三次元形状測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】 本発明の全体構成を示す図である。
【図２】 第１の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図３】 第２の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図４】 位相シフトの様子を捉えた実際のチップ画像である。
【図５】 第３の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図６】 第４の実施例の格子縞投影器の構成図である。
【図７】 第４の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図８】 第５の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の全体構成を示している。図の中で、格子縞投影器１は正弦波状に光強度が変化する格子縞を投影する装置である。ハロゲン電球等の白色光源の前にフィルムに焼いた格子縞やロンキー格子などを配置し、投射光学系を介して測定対象物上にその格子縞を結像させる仕組みとなっている。また、液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子を用いたプロジェクタを用いてもよい。その場合、動的に格子縞の周期を変えることができるので、より柔軟なシステムの構築が可能となる。投影器コントローラ１１は、格子縞投影器１と接続され、投影縞の明るさを調整し、また、液晶やＤＭＤを用いた場合はその投影パターンを制御する。カメラ２は、レンズ及びエリアセンサ、制御回路などから構成され、格子縞の投影された測定対象物を真上から撮像する。エリアセンサにはＣＭＯＳイメージセンサを使用することにより、センサ素子内の任意の領域から画像を読み出せる特徴を利用できる。すなわち、後述する通り、センサ素子内の特定の水平ラインのみ読み出すように構成しその他の領域にはアクセスしないことで、読出レートを高速化できると共にリニアアレイと同様な機能を実現できる。ステージ３は、駆動機構を内部に備え、測定対象物を載せて一定の方向へ移動させる。ステージコントローラ３１は、ステージ３の駆動機構と接続され、ステージの移動方向や速度を制御する。画像演算処理部４は、カメラ２から画像（輝度）情報を取得する画像入力部４１と、入力された画像を一時的に蓄える画像メモリ４２ａ〜ｄと、蓄えられた画像情報から高さ情報等を算出する演算部４３などから構成され、カメラ２から出力された画像情報を基に高さ画像を生成する。コンピュータ５は、投影器コントローラ１１、ステージコントローラ３１、画像演算処理部４などに接続され、各機器への制御指示を出力したり、測定対象物の演算結果を受け取って後処理を行ったり、操作者とのインタフェースを実行する。
【００１６】
以上のように構成された装置の動作について解説する。位相シフト法における位相のシフト量に関しては、格子縞周期の１／４すなわちπ／２を選択して、４つのサンプルを取得するのが最も一般的である。ただし、格子縞の周期分割は３つ以上であれば幾つでも構わず、また、等分割である必要もなく、様々な位相算出手法が提案されている。詳細については、例えば前記非特許技術文献１に詳しいので、ここでは省略する。以下の説明は、π／２の等分割を例として述べるが、本発明の趣旨を別の分割法に展開するのは困難ではない。
【００１７】
まず、コンピュータ５から発せられる測定開始指示により、ステージコントローラ３１はステージの連続移動を開始する。ステージがある一定距離ｓ移動する度に、画像演算処理部４はカメラ２へトリガー信号を出力し、カメラ２はステージ上の被測定対象物を撮像する。この移動量ｓを制御するには、速度を一定に維持した上で所定の時間間隔でトリガーを発生させることにしても良いし、速度が変動する場合はパルスエンコーダを装着して一定のパルスカウント毎にトリガーを発生することでも良い。トリガー信号を受け付けたカメラ２は、エリアセンサの露光を開始し、露光が完了次第輝度データの読み出しを開始する。この時実際に輝度データを読み出すのは、図２に示す通り、エリアセンサ６上に一定の間隔をおいて定められた４本の水平ラインＬ１〜Ｌ４のみである。この間隔は、上記の位相シフト量すなわちエリアセンサ上に結像した格子縞周期の１／４の距離となるよう定める。Ｌ１〜Ｌ４から読み出された１ライン分の輝度データは、それぞれ個別に画像演算処理部４にある画像メモリ４２のａからｄへ、すなわちＬ１の出力は画像メモリ４２ａ、Ｌ２の出力は画像メモリの４２ｂ、という具合に蓄えられる。この画像メモリ４２は、それぞれＦＩＦＯ（先入れ先出しメモリ）を構成しており、先に保存されたものから順番に読み出されるようになっている。これは、測定対象物がエリアセンサの下方から上方へ向かって移動する場合、その部位がＬ４からＬ３、Ｌ２、Ｌ１と順次移動して行くため同一部位の画像取得に時間差があり、これを補償するためＦＩＦＯの持つ遅延機能を利用するものである。従って、Ｌ４から読み出された輝度データを記憶する画像メモリ４２ｄが最も段数が多く、Ｌ１から読み出された輝度データは即座に処理できるので、１段となる。詳細には、読出し水平ライン間の撮像回数をｍとした場合、画像メモリ４２ｄはｍ×３＋１段、画像メモリ４２ｃはｍ×２＋１段、画像メモリ４２ｂはｍ＋１段をそれぞれ備える。結果として、これらの画像メモリ４２ａ〜ｄの出力は、被測定対象物の同一部位を異なる位相の格子縞で投影した画像であり、それらを演算部４３に供給して位相の計算を行う。位相の計算式は式（１）に示すとおりである。得られた位相値φから、投影された格子縞の空間的な位置関係により、式（２）に従って被測定対象物の各部位の実際の高さｈが算出でき、高さ画像が取得できる。さらに、式（３）に従って格子縞の振幅画像や、Ｉ１からＩ４までの総和（＝ＩＡ）をとり輝度スケール変換をかけることで、通常の二次元輝度画像も同時に得ることができる。格子縞の振幅値γは、影の部分や光の反射率が低い所で小さくなるため、その部位で得られた高さ情報の信頼度を示す目安となり、情報の欠落を判断するのに利用できる。また、通常の二次元輝度画像については、ここで改めて説明するまでもなく、従来の様々な利用方法が考えられる。尚、上記演算部４３は、ＣＰＵやＤＳＰで位相計算を行うようにソフトウェアで構成してもよいし、輝度値Ｉ１〜Ｉ４入力から位相値φ等の出力を得るルックアップテーブル方式のハードウェア構成としてもよい。
φ＝ｔａｎ−１（（Ｉ４−Ｉ２）／（Ｉ１−Ｉ３）） ……（１）
φ：位相
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４： 各ラインの輝度値
ｈ＝（Ｐ／ｔａｎα）・φ／２π ……（２）
ｈ：高さ
Ｐ：格子縞のピッチ
α：格子縞の投影角
γ＝２（（Ｉ４−Ｉ２）２＋（Ｉ１−Ｉ３）２）１／２／ＩＡ ……（３）
γ：振幅
ＩＡ ：平均輝度（＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）
【００１８】
上記のような構成によれば、格子縞のサンプリングポイントを４点、あるいは、それ以上にすることが容易に実現でき、誤差の少ない測定が可能となる。また、垂直解像度あるいは深度を変えるために格子縞のピッチを変更したい場合、そのピッチに合わせて画素の読出し水平ラインＬ１〜Ｌ４の互いの間隔を変えれば良いため、柔軟性の高いシステムを構築できるという効果がある。
【００１９】
次に、第２の実施例について説明する。図３は、本実施例における格子縞の投影パターンを示している。また、本実施例においては、格子縞投影器１はステージ３の進行方向から見ると横の方向、つまり側方上方から図３に示すような格子縞パターンを投影する。前記第１の実施例では、格子縞は進行方向前方（あるいは後方）から投影され、エリアセンサ６上では横縞として映っていた。本実施例では、エリアセンサ６上に縦縞となり、それが上下４段の帯領域Ａ１〜Ａ４に分かれ、それぞれの縞が順次π／２ずつ位相がずれて映る。画像読出し水平ラインＬ１〜Ｌ４は、前記帯領域のほぼ中心附近に互いに等間隔ｗとなるように配置される。それ以外の構成は第１の実施例と変わらない。
【００２０】
このように構成された撮像系において、プリント基板の上に搭載されたチップコンデンサを実際に撮像した画像が図４である。この図における（１）から（４）は、それぞれチップコンデンサが帯領域Ａ１からＡ４の範囲に収まっている間に観察される画像例であり、チップの移動方向は画面の下から上である。この画像からも明らかなように、基板面と高さの異なるチップ上面では、投影されている格子縞の位相が互いにずれている。このずれ量は両者の高さの差に比例するため、前記式（１）及び（２）に当てはめれば、このチップの正確な高さを算出することができる。
【００２１】
このように構成された本実施例の動作は、第１の実施例と何ら変わる処はないため、その説明は省略する。但し、本実施例による格子縞の投影様式では、同じ水平ライン上の格子縞の位相が右から左（あるいは左から右）へ向けて変位しているので、出力される高さ画像はある一定の傾きを伴ったものとなる。この不都合を回避するには、格子縞の周期からこの定常傾き角度βを算出し、前記式（１）による位相値φの演算時に差し引けばよい。あるいは、ステージ３の基準平面の高さ画像を予め取得しておいてこれを基準画像とし、測定対象物の高さ画像を取得する度にこの基準画像を差し引いて、通常の高さ画像に変換するようにしてもよい。
【００２２】
ところで、第１の実施例では、位相のシフトは投影された格子縞に対する読出し水平ラインＬ１〜Ｌ４の配置、すなわちそれらの間隔を格子縞のピッチに合わせることで実現されていた。従って、格子縞のピッチと読出し水平ライン間隔には、正確な比例関係を保つ必要があった。ところが本実施例による構成では、格子縞の位相シフトはその投影パターン自体で実現されており、読出し水平ライン間隔ｗとは独立である。すなわち、読出し水平ライン間隔ｗは、投影格子縞のパターン変化の尖鋭度や撮像素子の読出しサイクルタイム、ステージの送り速度、画像メモリの容量などの条件によって隋意に定めればよい。一方、格子縞のピッチは、所望する垂直解像度あるいは深度に合わせて、やはり随意に定めることができる。つまり、第１の実施例と比べても、さらに柔軟性の高いシステムを構築できると共に、後述する通り、読出し水平ライン間隔の選択自由度を活かしてより効率よくエリアセンサを利用できる効果がある。
【００２３】
次に第３の実施例について説明する。本実施例の格子縞投影器１は、図５に示すように、カメラ２の視野内を大きく上下２つの領域に分け（図中の上領域Ｕと下領域Ｄ）、それぞれに格子縞のピッチが異なる２種類の格子縞パターンを投影する。もちろん、３つ以上の領域に分け、それぞれ異なるピッチの格子縞を投影しても構わない。上下のそれぞれの領域は、図４に示したごとくさらに４つの帯状領域に分けられ、ピッチは同一であるものの位相がπ／２ずつずれた格子縞パターンが投影される。また、各帯状領域毎に画像読出し水平ラインＬ１ｕ〜Ｌ４ｕ及びＬ１ｄ〜Ｌ４ｄが配置される。
【００２４】
このように構成された装置の動作は、基本的に実施例２の場合と同様で、異なるのは二組の位相、振幅、輝度画像が得られることである。特に二組の位相情報からは、単に垂直解像度の異なるデータが得られるのみならず、格子縞のピッチが粗い方の位相情報を用いてピッチが細かい位相情報の位相接続を正確且つ効率的に実施でき、等価的に測定深度を拡大するという効果が得られる。具体的な位相接続の処理方法に関しては、例えば、特許文献特開２００４−２２６１６０号公報を参照されたい。
【００２５】
次に第４の実施例について説明する。本実施例では、図６に示すように格子縞投影器を２つ（１ａ及び１ｂ）設け、互いに反対方向から格子縞を投影する。図７に示すように、カメラ２の視野内を大きく上下２つの領域に分け（図中の上領域Ｌと下領域Ｒ）、それぞれに入射方向が異なるがピッチは同じ格子縞パターンを投影する。後の構成は、前記実施例３と同様であるので、説明は省略する。
【００２６】
格子縞投影器１は斜め上方から格子縞を投影するので、被測定対象物の形状によっては、光の当たらない影の部分が発生するのを防ぐことができない。このような場合、上述のように反対側からも格子縞を投影することで、影の部分を無くすことができる。本構成により２組のデータが得られるが、これをどのように処理して１つの高さ情報にまとめるかについては幾つかの方法が考えられる。例えば、１つの単純かつ高速な方法は、エリアセンサから読み出されるＬ１ｌとＬ１ｒ、Ｌ２ｌとＬ２ｒ、…の平均をとって４本の出力にまとめ、位相解析を行うというものである。あるいは、より手間は掛かるが精度の高い方法としては、Ｌ領域とＲ領域は独立に位相算出までしてしまい、前に示唆した通り、２つの対応する位置の振幅情報を順次比較しながら、より信頼度の高い方の高さ情報を採用していって１つの高さ情報に集約するということもできる。いずれにせよ本実施例によれば、格子縞投影器を１台追加するだけで１回の走査で影対策が実施でき、測定系を２段にしたり、投影器を切り替えて２回走査する、といった無駄を省くことができるという効果がある。
【００２７】
次に第５の実施例について説明する。本実施例では、図８に示すように、格子縞投影器１は格子縞ではなく、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三色を帯状に投射する。カメラ２の視野内は３つの領域に分けられ、それぞれが等間隔ｗで配置されたＬ１〜Ｌ３の画素読出し水平ラインを含む。各水平ラインの輝度データ出力はＦＩＦＯ画像メモリに供給され、ｗ（Ｌ２）及び２ｗ（Ｌ３）の間隔に相当する遅延時間を経た後、１枚のカラー画像に集約される。本実施例によれば、カメラ２視野内に３原色の帯領域を追加するだけで、高さ情報と同時にカラー二次元画像の取得も可能になるという効果がある。
【００２８】
これまで、実施例２ないし５についてそれぞれ個別に説明してきた。しかし、実施例２でも解説したとおり、本発明の特徴の一つはエリアセンサ６の持つ領域を効率良く利用できることである。本説明は、その利点を活かし実施例２ないし５の機能を複数ないし全部一つのシステムに収めることを妨げるものではない。
【００２９】
次に第６の実施例について述べる。本実施例では、測定対象物の三次元形状を規定するパラメータ、例えば、長さ・幅・高さ・面積・体積等の基準値とその許容範囲を記憶しておき、実際に測定した結果と基準値とを比較し、それが許容範囲内に収まっているかどうか判断する。もし、許容範囲に収まっていなかった場合は、画面メッセージや警告音などで、オペレータに不良が発生したことを知らせる。生産工程に使われる三次元形状測定装置は、それが特にインラインでの使用に耐えられるスピードを備えている時は、単なる測定結果の数値出力のみではなく、測定対象物の良否判定まで行うことが求められる場合が多い。本発明は、そのような用途にも適している。
【符号の説明】
【００３０】
１ … 格子縞投影器
２ … カメラ
３ … ステージ
４ … 画像演算処理部
５ … コンピュータ
６ … エリアセンサ
１１ … 投影器コントローラ
３１ … ステージコントローラ、
４１ａ〜ｄ … 画像メモリ
４３ … 演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する測定対象物の三次元形状を位相シフト法を用いて測定する装置に関し、特に半導体部品や受動素子部品等の電子部品の搭載されたプリント基板、あるいは、プリント基板の上に印刷されたクリーム半田量を測定するのに好適な、三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、連続して移動する測定対象物の三次元形状を測定する技術として、例えば下記特許文献１に開示されているものがある。これは、移動する被測定対象物の真上から光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影し、格子縞を投影された被測定対象物が格子縞周期のπ／２に相当する距離を移動する度に、斜め上方からＣＣＤエリアカメラを用いてそれを撮像し、格子縞の位相が異なる４つの同一部位画像から位相シフト法の原理を適応して高さ情報を求める。しかしながら、このような構成においては、取得された画像を最も効率よく利用するのにエリアカメラの視野内に格子縞が丁度１周期分結像することが望ましいが、その為にコンベア速度及び測定できる垂直解像度や深度に制約を課すことになる。このような制約を少しでも回避するために、本文献では幾つかの補完的な構成が提案されているが、いずれも装置を複雑化・大型化させる要因となるか、一度取得した画像を無駄に破棄することになり効率が悪い。
【０００３】
一方、特許文献２あるいは特許文献３では、いずれも光の強度が正弦波状に変化する格子縞を斜方より被測定対象物に投影し、その被測定対象物の移動と同期して、真上に配置した３本あるいは４本のリニアアレイを備えるラインセンサで画像を撮像するようになっている。撮像された３本あるいは４本の輝度出力は、被測定対象物の同じ部位を撮像したライン毎に並び替えられ、位相シフト法の原理を適用することによりその部位の高さ情報に変換され、結果としてその被測定対象物の三次元形状が明らかになるというものである。これらの方法によれば、連続して移動する測定対象物の三次元形状を効率よく高速に測定することが可能となる。しかし、複数のリニアアレイを備えるラインセンサを構築するには制約が多い。すなわち、現実的に入手でき利用できるものはカラー用リニアアレイのカラーフィルタを除去したものであり、リニアアレイの本数は３本、間隔は８画素程度で固定という幾何学的な制限がある。リニアアレイの本数が３本に限られるということは、位相決定のためのサンプルポイントが理論上の最低数である３点しか得られないことを意味し、４点以上の場合と比較して位相測定誤差が大きくなってしまう。また、リニアアレイの間隔が固定であるということは、そのリニアアレイ上に結像する投影格子縞の周期も限定されることになり、測定の垂直解像度や深度の選択の自由度を奪うことになってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】 特開平１１−２１１４４３号公報
【特許文献２】 特表２００１−５０３５０６号公報
【特許文献３】 特開２００２−２８６４３３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】 Ｄａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ 「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ」２ｅｄ．ＣＨ．１４ １９９２ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の通り、従来の技術では、移動する測定対象物の三次元形状を効率よく高速に測定しようとすると、投影する格子縞の周期が限定され、測定の垂直解像度や深度に制約を受けてしまう、という問題があった。それを鑑み、本発明の目的は、このような測定の垂直解像度や深度の制約を緩和し、より柔軟性の高い三次元形状測定装置を提供することにある。さらに、本発明によれば、装置の規模を徒に増大させることなく補完的な情報の取得を同時に実現できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、被測定対象物に対して斜め上方より、投影方向に沿って光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影する格子縞投影手段と、前記被測定対象物に対して鉛直上方に位置し二次元撮像素子を備えて該被測定対象物の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像タイミングと同期して前記被測定対象物を載せたステージを前記撮像手段と前記格子縞投影手段に対し相対的に一定方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、前記格子縞投影手段は前記被測定対象物が移動する方向の前方あるいは後方から格子縞を投影するように配置され、該二次元撮像素子からの画像読出しは、互いに前記二次元撮像素子上に結像される前記正弦波状格子縞の周期の１／ｎ（ｎは３以上）の画素距離だけ離れた、計ｎ本の水平ラインから読み出すように制御する画像読出制御手段と、前記ステージ駆動手段が前記正弦波状格子縞の周期の１／ｎに相当する距離だけステージを移動する間に、前記撮像手段が画像を撮像する回数をｍとした時、前記画像読出制御手段によって読み出されたｎ本のライン画像情報を一時的に保持する、前記被測定対象物の移動方向から見て最も遠い水平ラインから（ｎ−１）×ｍ＋１、（ｎ−２）×ｍ＋１、…、ｍ＋１、１本分のライン容量をそれぞれ備えた、先入れ先出し型ライン画像情報保持手段と、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出する高さ演算手段とをさらに備え、前記撮像手段は前記ステージ駆動手段によるステージの移動と同期して前記被測定対象物を撮像し、その度に前記画像読出手段は前記二次元撮像素子のｎ本の水平ラインからライン画像情報を読み出して前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段へ格納し、同時に、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出して、連続的に移動する被測定対象物の形状を測定することができるようにした。
【０００８】
また、別の構成においては、前記格子縞投影手段は、前記被測定対象物が移動する方向に対し側方から格子縞を投影するように配置され、該格子縞は、投影方向に沿った等幅で帯状のｎ（ｎは３以上）個の帯領域に分けられ、各々の帯領域の格子縞は周期は同一であるがその位相を順次２π／ｎずつずらして投影され、前記画像読出手段は、前記帯領域が前記二次元撮像素子上に結像される幅をｗとした時に、該帯領域が各々１水平ラインを含み、さらに互いに間隔ｗだけ離れているように配置された計ｎ本の水平ラインから画像読出しすることにより、前記格子縞の周期と前記画像読出しの間隔ｗとを独立に設定することを可能とした。
【０００９】
さらに、前記撮像手段の視野内で垂直方向に複数の領域を設け、前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる周期の格子縞を投影するようにし、該複数の領域毎に前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段をそれぞれ備えることにより、垂直解像度の異なる高さ情報を同時に得ることができるようにした。
【００１０】
同様に、前記撮像手段の視野内に垂直方向に複数の領域を設け、複数の前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる方向から格子縞を投影し、前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段を該領域毎にそれぞれ備えることにより、格子縞の投影方向によって生じる影の影響を除去するようにした。
【００１１】
また、前記撮像手段の視野内で垂直方向に三つの領域を設け、一つの領域には赤色（Ｒ）、次は緑色（Ｇ）、最後は青色（Ｂ）をそれぞれ照射する三色投射手段と、該領域毎に１水平ラインを読み出す前記画像読出制御手段と、移動する前記被測定対象物の同一部位が同じ画像位置に来るよう該領域の間隔に合わせて遅延を生じさせる前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段とを備えることにより、連続的に移動する被測定対象物の二次元カラー画像を同時に取得できるようにした。
【００１２】
さらに、前記被測定対象物の形状に関し良品を規定する基準範囲を記憶する基準範囲記憶手段と、実際に測定された前記被測定対象物の三次元形状ないし二次元形状が該基準範囲を満たすかどうかを判定する判定部とを備え、該基準範囲に基づいて被測定対象物の良否を判定することをできるようにした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、連続移動する測定対象物の三次元形状を高速に測定できる。さらに、位相シフト法における格子縞のピッチとカメラの撮像タイミングとの間にある制約を緩和し、測定の垂直解像度や深度の選択に広い自由度を与え、より柔軟性の高い三次元形状測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】 本発明の全体構成を示す図である。
【図２】 第１の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図３】 第２の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図４】 位相シフトの様子を捉えた実際のチップ画像である。
【図５】 第３の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図６】 第４の実施例の格子縞投影器の構成図である。
【図７】 第４の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【図８】 第５の実施例における格子縞の投影状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の全体構成を示している。図の中で、格子縞投影器１は正弦波状に光強度が変化する格子縞を投影する装置である。ハロゲン電球等の白色光源の前にフィルムに焼いた格子縞やロンキー格子などを配置し、投射光学系を介して測定対象物上にその格子縞を結像させる仕組みとなっている。また、液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子を用いたプロジェクタを用いてもよい。その場合、動的に格子縞の周期を変えることができるので、より柔軟なシステムの構築が可能となる。投影器コントローラ１１は、格子縞投影器１と接続され、投影縞の明るさを調整し、また、液晶やＤＭＤを用いた場合はその投影パターンを制御する。カメラ２は、レンズ及びエリアセンサ、制御回路などから構成され、格子縞の投影された測定対象物を真上から撮像する。エリアセンサにはＣＭＯＳイメージセンサを使用することにより、センサ素子内の任意の領域から画像を読み出せる特徴を利用できる。すなわち、後述する通り、センサ素子内の特定の水平ラインのみ読み出すように構成しその他の領域にはアクセスしないことで、読出レートを高速化できると共にリニアアレイと同様な機能を実現できる。ステージ３は、駆動機構を内部に備え、測定対象物を載せて一定の方向へ移動させる。ステージコントローラ３１は、ステージ３の駆動機構と接続され、ステージの移動方向や速度を制御する。画像演算処理部４は、カメラ２から画像（輝度）情報を取得する画像入力部４１と、入力された画像を一時的に蓄える画像メモリ４２ａ〜ｄと、蓄えられた画像情報から高さ情報等を算出する演算部４３などから構成され、カメラ２から出力された画像情報を基に高さ画像を生成する。コンピュータ５は、投影器コントローラ１１、ステージコントローラ３１、画像演算処理部４などに接続され、各機器への制御指示を出力したり、測定対象物の演算結果を受け取って後処理を行ったり、操作者とのインタフェースを実行する。
【００１６】
以上のように構成された装置の動作について解説する。位相シフト法における位相のシフト量に関しては、格子縞周期の１／４すなわちπ／２を選択して、４つのサンプルを取得するのが最も一般的である。ただし、格子縞の周期分割は３つ以上であれば幾つでも構わず、また、等分割である必要もなく、様々な位相算出手法が提案されている。詳細については、例えば前記非特許技術文献１に詳しいので、ここでは省略する。以下の説明は、π／２の等分割を例として述べるが、本発明の趣旨を別の分割法に展開するのは困難ではない。
【００１７】
まず、コンピュータ５から発せられる測定開始指示により、ステージコントローラ３１はステージの連続移動を開始する。ステージがある一定距離ｓ移動する度に、画像演算処理部４はカメラ２へトリガー信号を出力し、カメラ２はステージ上の被測定対象物を撮像する。この移動量ｓを制御するには、速度を一定に維持した上で所定の時間間隔でトリガーを発生させることにしても良いし、速度が変動する場合はパルスエンコーダを装着して一定のパルスカウント毎にトリガーを発生することでも良い。トリガー信号を受け付けたカメラ２は、エリアセンサの露光を開始し、露光が完了次第輝度データの読み出しを開始する。この時実際に輝度データを読み出すのは、図２に示す通り、エリアセンサ６上に一定の間隔をおいて定められた４本の水平ラインＬ１〜Ｌ４のみである。この間隔は、上記の位相シフト量すなわちエリアセンサ上に結像した格子縞周期の１／４の距離となるよう定める。Ｌ１〜Ｌ４から読み出された１ライン分の輝度データは、それぞれ個別に画像演算処理部４にある画像メモリ４２のａからｄへ、すなわちＬ１の出力は画像メモリ４２ａ、Ｌ２の出力は画像メモリの４２ｂ、という具合に蓄えられる。この画像メモリ４２は、それぞれＦＩＦＯ（先入れ先出しメモリ）を構成しており、先に保存されたものから順番に読み出されるようになっている。これは、測定対象物がエリアセンサの下方から上方へ向かって移動する場合、その部位がＬ４からＬ３、Ｌ２、Ｌ１と順次移動して行くため同一部位の画像取得に時間差があり、これを補償するためＦＩＦＯの持つ遅延機能を利用するものである。従って、Ｌ４から読み出された輝度データを記憶する画像メモリ４２ｄが最も段数が多く、Ｌ１から読み出された輝度データは即座に処理できるので、１段となる。詳細には、読出し水平ライン間の撮像回数をｍとした場合、画像メモリ４２ｄはｍ×３＋１段、画像メモリ４２ｃはｍ×２＋１段、画像メモリ４２ｂはｍ＋１段をそれぞれ備える。結果として、これらの画像メモリ４２ａ〜ｄの出力は、被測定対象物の同一部位を異なる位相の格子縞で投影した画像であり、それらを演算部４３に供給して位相の計算を行う。位相の計算式は式（１）に示すとおりである。得られた位相値φから、投影された格子縞の空間的な位置関係により、式（２）に従って被測定対象物の各部位の実際の高さｈが算出でき、高さ画像が取得できる。さらに、式（３）に従って格子縞の振幅画像や、Ｉ１からＩ４までの総和（＝ＩＡ）をとり輝度スケール変換をかけることで、通常の二次元輝度画像も同時に得ることができる。格子縞の振幅値γは、影の部分や光の反射率が低い所で小さくなるため、その部位で得られた高さ情報の信頼度を示す目安となり、情報の欠落を判断するのに利用できる。また、通常の二次元輝度画像については、ここで改めて説明するまでもなく、従来の様々な利用方法が考えられる。尚、上記演算部４３は、ＣＰＵやＤＳＰで位相計算を行うようにソフトウェアで構成してもよいし、輝度値Ｉ１〜Ｉ４入力から位相値φ等の出力を得るルックアップテーブル方式のハードウェア構成としてもよい。
φ＝ｔａｎ−１（（Ｉ４−Ｉ２）／（Ｉ１−Ｉ３）） ……（１）
φ：位相
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４： 各ラインの輝度値
ｈ＝（Ｐ／ｔａｎα）・φ／２π ……（２）
ｈ：高さ
Ｐ：格子縞のピッチ
α：格子縞の投影角
γ＝２（（Ｉ４−Ｉ２）２＋（Ｉ１−Ｉ３）２）１／２／ＩＡ ……（３）
γ：振幅
ＩＡ ：平均輝度（＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）
【００１８】
上記のような構成によれば、格子縞のサンプリングポイントを４点、あるいは、それ以上にすることが容易に実現でき、誤差の少ない測定が可能となる。また、垂直解像度あるいは深度を変えるために格子縞のピッチを変更したい場合、そのピッチに合わせて画素の読出し水平ラインＬ１〜Ｌ４の互いの間隔を変えれば良いため、柔軟性の高いシステムを構築できるという効果がある。
【００１９】
次に、第２の実施例について説明する。図３は、本実施例における格子縞の投影パターンを示している。また、本実施例においては、格子縞投影器１はステージ３の進行方向から見ると横の方向、つまり側方上方から図３に示すような格子縞パターンを投影する。前記第１の実施例では、格子縞は進行方向前方（あるいは後方）から投影され、エリアセンサ６上では横縞として映っていた。本実施例では、エリアセンサ６上に縦縞となり、それが上下４段の帯領域Ａ１〜Ａ４に分かれ、それぞれの縞が順次π／２ずつ位相がずれて映る。画像読出し水平ラインＬ１〜Ｌ４は、前記帯領域のほぼ中心附近に互いに等間隔ｗとなるように配置される。それ以外の構成は第１の実施例と変わらない。
【００２０】
このように構成された撮像系において、プリント基板の上に搭載されたチップコンデンサを実際に撮像した画像が図４である。この図における（１）から（４）は、それぞれチップコンデンサが帯領域Ａ１からＡ４の範囲に収まっている間に観察される画像例であり、チップの移動方向は画面の下から上である。この画像からも明らかなように、基板面と高さの異なるチップ上面では、投影されている格子縞の位相が互いにずれている。このずれ量は両者の高さの差に比例するため、前記式（１）及び（２）に当てはめれば、このチップの正確な高さを算出することができる。
【００２１】
このように構成された本実施例の動作は、第１の実施例と何ら変わる処はないため、その説明は省略する。但し、本実施例による格子縞の投影様式では、同じ水平ライン上の格子縞の位相が右から左（あるいは左から右）へ向けて変位しているので、出力される高さ画像はある一定の傾きを伴ったものとなる。この不都合を回避するには、格子縞の周期からこの定常傾き角度βを算出し、前記式（１）による位相値φの演算時に差し引けばよい。あるいは、ステージ３の基準平面の高さ画像を予め取得しておいてこれを基準画像とし、測定対象物の高さ画像を取得する度にこの基準画像を差し引いて、通常の高さ画像に変換するようにしてもよい。
【００２２】
ところで、第１の実施例では、位相のシフトは投影された格子縞に対する読出し水平ラインＬ１〜Ｌ４の配置、すなわちそれらの間隔を格子縞のピッチに合わせることで実現されていた。従って、格子縞のピッチと読出し水平ライン間隔には、正確な比例関係を保つ必要があった。ところが本実施例による構成では、格子縞の位相シフトはその投影パターン自体で実現されており、読出し水平ライン間隔ｗとは独立である。すなわち、読出し水平ライン間隔ｗは、投影格子縞のパターン変化の尖鋭度や撮像素子の読出しサイクルタイム、ステージの送り速度、画像メモリの容量などの条件によって隋意に定めればよい。一方、格子縞のピッチは、所望する垂直解像度あるいは深度に合わせて、やはり随意に定めることができる。つまり、第１の実施例と比べても、さらに柔軟性の高いシステムを構築できると共に、後述する通り、読出し水平ライン間隔の選択自由度を活かしてより効率よくエリアセンサを利用できる効果がある。
【００２３】
次に第３の実施例について説明する。本実施例の格子縞投影器１は、図５に示すように、カメラ２の視野内を大きく上下２つの領域に分け（図中の上領域Ｕと下領域Ｄ）、それぞれに格子縞のピッチが異なる２種類の格子縞パターンを投影する。もちろん、３つ以上の領域に分け、それぞれ異なるピッチの格子縞を投影しても構わない。上下のそれぞれの領域は、図４に示したごとくさらに４つの帯状領域に分けられ、ピッチは同一であるものの位相がπ／２ずつずれた格子縞パターンが投影される。また、各帯状領域毎に画像読出し水平ラインＬ１ｕ〜Ｌ４ｕ及びＬ１ｄ〜Ｌ４ｄが配置される。
【００２４】
このように構成された装置の動作は、基本的に実施例２の場合と同様で、異なるのは二組の位相、振幅、輝度画像が得られることである。特に二組の位相情報からは、単に垂直解像度の異なるデータが得られるのみならず、格子縞のピッチが粗い方の位相情報を用いてピッチが細かい位相情報の位相接続を正確且つ効率的に実施でき、等価的に測定深度を拡大するという効果が得られる。具体的な位相接続の処理方法に関しては、例えば、特許文献特開２００４−２２６１６０号公報を参照されたい。
【００２５】
次に第４の実施例について説明する。本実施例では、図６に示すように格子縞投影器を２つ（１ａ及び１ｂ）設け、互いに反対方向から格子縞を投影する。図７に示すように、カメラ２の視野内を大きく上下２つの領域に分け（図中の上領域Ｌと下領域Ｒ）、それぞれに入射方向が異なるがピッチは同じ格子縞パターンを投影する。後の構成は、前記実施例３と同様であるので、説明は省略する。
【００２６】
格子縞投影器１は斜め上方から格子縞を投影するので、被測定対象物の形状によっては、光の当たらない影の部分が発生するのを防ぐことができない。このような場合、上述のように反対側からも格子縞を投影することで、影の部分を無くすことができる。本構成により２組のデータが得られるが、これをどのように処理して１つの高さ情報にまとめるかについては幾つかの方法が考えられる。例えば、１つの単純かつ高速な方法は、エリアセンサから読み出されるＬ１ｌとＬ１ｒ、Ｌ２ｌとＬ２ｒ、…の平均をとって４本の出力にまとめ、位相解析を行うというものである。あるいは、より手間は掛かるが精度の高い方法としては、Ｌ領域とＲ領域は独立に位相算出までしてしまい、前に示唆した通り、２つの対応する位置の振幅情報を順次比較しながら、より信頼度の高い方の高さ情報を採用していって１つの高さ情報に集約するということもできる。いずれにせよ本実施例によれば、格子縞投影器を１台追加するだけで１回の走査で影対策が実施でき、測定系を２段にしたり、投影器を切り替えて２回走査する、といった無駄を省くことができるという効果がある。
【００２７】
次に第５の実施例について説明する。本実施例では、図８に示すように、格子縞投影器１は格子縞ではなく、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三色を帯状に投射する。カメラ２の視野内は３つの領域に分けられ、それぞれが等間隔ｗで配置されたＬ１〜Ｌ３の画素読出し水平ラインを含む。各水平ラインの輝度データ出力はＦＩＦＯ画像メモリに供給され、ｗ（Ｌ２）及び２ｗ（Ｌ３）の間隔に相当する遅延時間を経た後、１枚のカラー画像に集約される。本実施例によれば、カメラ２視野内に３原色の帯領域を追加するだけで、高さ情報と同時にカラー二次元画像の取得も可能になるという効果がある。
【００２８】
これまで、実施例２ないし５についてそれぞれ個別に説明してきた。しかし、実施例２でも解説したとおり、本発明の特徴の一つはエリアセンサ６の持つ領域を効率良く利用できることである。本説明は、その利点を活かし実施例２ないし５の機能を複数ないし全部一つのシステムに収めることを妨げるものではない。
【００２９】
次に第６の実施例について述べる。本実施例では、測定対象物の三次元形状を規定するパラメータ、例えば、長さ・幅・高さ・面積・体積等の基準値とその許容範囲を記憶しておき、実際に測定した結果と基準値とを比較し、それが許容範囲内に収まっているかどうか判断する。もし、許容範囲に収まっていなかった場合は、画面メッセージや警告音などで、オペレータに不良が発生したことを知らせる。生産工程に使われる三次元形状測定装置は、それが特にインラインでの使用に耐えられるスピードを備えている時は、単なる測定結果の数値出力のみではなく、測定対象物の良否判定まで行うことが求められる場合が多い。本発明は、そのような用途にも適している。
【符号の説明】
【００３０】
１ … 格子縞投影器
２ … カメラ
３ … ステージ
４ … 画像演算処理部
５ … コンピュータ
６ … エリアセンサ
１１ … 投影器コントローラ
３１ … ステージコントローラ、
４１ａ〜ｄ … 画像メモリ
４３ … 演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物に対して斜め上方より、投影方向に沿って光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影する格子縞投影手段と、前記被測定対象物に対して鉛直上方に位置し二次元撮像素子を備えて該被測定対象物の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像タイミングと同期して前記被測定対象物を載せたステージを前記撮像手段と前記格子縞投影手段に対し相対的に一定方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、
前記格子縞投影手段は前記被測定対象物が移動する方向の前方あるいは後方から格子縞を投影するように配置され、
前記二次元撮像素子からの画像読出しは、互いに該二次元撮像素子上に結像される前記正弦波状格子縞の周期の１／ｎ（ｎは３以上）の距離だけ離れた、計ｎ本の水平ラインから読み出すように制御する画像読出制御手段と、
前記ステージ駆動手段が前記正弦波状に変化する格子縞の周期の１／ｎに相当する距離だけステージを移動する間に前記撮像手段が画像を撮像する回数をｍとした時、前記画像読出制御手段によって読み出されたｎ本のライン画像情報を一時的に保持し、かつ、そのライン画像情報保持容量が前記被測定対象物の移動方向から見て最も遠い水平ラインから（ｎ−１）×ｍ＋１、（ｎ−２）×ｍ＋１、…、ｍ＋１、１本分である先入れ先出し型ライン画像情報保持手段と、
前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から、位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出する高さ演算手段とをさらに備え、
前記撮像手段は前記ステージ駆動手段によるステージの移動と同期して前記被測定対象物を撮像し、その度に前記画像読出手段は前記二次元撮像素子のｎ本の水平ラインからライン画像情報を読み出して前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段へ格納し、同時に、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出して、連続的に移動する被測定対象物の形状を測定することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記格子縞投影手段は、前記被測定対象物が移動する方向に対し側方から格子縞を投影するように配置され、
該格子縞は、投影方向に沿った等幅で帯状のｎ（ｎは３以上）個の帯領域に分けられ、各々の帯領域の格子縞は周期は同一であるがその位相を順次２π／ｎずつずらして投影され、
前記画像読出手段は、前記帯領域が前記二次元撮像素子上に結像される幅をｗとした時に、該帯領域が各々１水平ラインを含み、さらに互いに間隔ｗだけ離れているように配置された計ｎ本の水平ラインから画像読出しすることにより、
前記格子縞の周期と前記画像読出しの水平ライン間隔ｗとを独立に設定することを可能とした請求項１記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記撮像手段の視野内で垂直方向に複数の領域を設け、前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる周期の格子縞を投影するようにし、該複数の領域毎に前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段をそれぞれ備えることにより、
垂直解像度の異なる高さ情報を同時に得ることを特徴とする請求項１ないし２記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記撮像手段の視野内に垂直方向に複数の領域を設け、複数の前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる方向から格子縞を投影し、該領域毎に前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段をそれぞれ備えることにより、
格子縞の投影方向によって生じる影の影響を除去することを特徴とする請求項１ないし３記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記撮像手段の視野内で垂直方向に三つの領域を設け、一つの領域には赤色（Ｒ）、次は緑色（Ｇ）、最後は青色（Ｂ）をそれぞれ照射する三色投射手段と、
該領域毎に１水平ラインを読み出す前記画像読出制御手段と、
移動する前記被測定対象物の同一部位が同じ画像位置に来るよう、該領域の間隔に合わせて遅延を生じさせる前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段とを備えることにより、
連続的に移動する被測定対象物の二次元カラー画像を同時に取得できることを特徴とする請求項１ないし４記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
前記被測定対象物の形状に関し良品を規定する基準範囲を記憶する基準範囲記憶手段と、
実際に測定された前記被測定対象物の三次元形状ないし二次元形状が該基準範囲を満たすかどうかを判定する判定部とを備え、
該基準範囲に基づいて被測定対象物の良否を判定することを特徴とする請求項１ないし５記載の三次元形状測定装置。
【請求項１】
被測定対象物に対して斜め上方より、投影方向に沿って光の強度が正弦波状に変化する格子縞を投影する格子縞投影手段と、前記被測定対象物に対して鉛直上方に位置し二次元撮像素子を備えて該被測定対象物の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像タイミングと同期して前記被測定対象物を載せたステージを前記撮像手段と前記格子縞投影手段に対し相対的に一定方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、
前記格子縞投影手段は前記被測定対象物が移動する方向の前方あるいは後方から格子縞を投影するように配置され、
前記二次元撮像素子からの画像読出しは、互いに該二次元撮像素子上に結像される前記正弦波状格子縞の周期の１／ｎ（ｎは３以上）の距離だけ離れた、計ｎ本の水平ラインから読み出すように制御する画像読出制御手段と、
前記ステージ駆動手段が前記正弦波状に変化する格子縞の周期の１／ｎに相当する距離だけステージを移動する間に前記撮像手段が画像を撮像する回数をｍとした時、前記画像読出制御手段によって読み出されたｎ本のライン画像情報を一時的に保持し、かつ、そのライン画像情報保持容量が前記被測定対象物の移動方向から見て最も遠い水平ラインから（ｎ−１）×ｍ＋１、（ｎ−２）×ｍ＋１、…、ｍ＋１、１本分である先入れ先出し型ライン画像情報保持手段と、
前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から、位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出する高さ演算手段とをさらに備え、
前記撮像手段は前記ステージ駆動手段によるステージの移動と同期して前記被測定対象物を撮像し、その度に前記画像読出手段は前記二次元撮像素子のｎ本の水平ラインからライン画像情報を読み出して前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段へ格納し、同時に、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段より出力されるｎ本分のライン輝度情報から位相シフト法の原理により位相を解析しその部位の高さ情報を算出して、連続的に移動する被測定対象物の形状を測定することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記格子縞投影手段は、前記被測定対象物が移動する方向に対し側方から格子縞を投影するように配置され、
該格子縞は、投影方向に沿った等幅で帯状のｎ（ｎは３以上）個の帯領域に分けられ、各々の帯領域の格子縞は周期は同一であるがその位相を順次２π／ｎずつずらして投影され、
前記画像読出手段は、前記帯領域が前記二次元撮像素子上に結像される幅をｗとした時に、該帯領域が各々１水平ラインを含み、さらに互いに間隔ｗだけ離れているように配置された計ｎ本の水平ラインから画像読出しすることにより、
前記格子縞の周期と前記画像読出しの水平ライン間隔ｗとを独立に設定することを可能とした請求項１記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記撮像手段の視野内で垂直方向に複数の領域を設け、前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる周期の格子縞を投影するようにし、該複数の領域毎に前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段をそれぞれ備えることにより、
垂直解像度の異なる高さ情報を同時に得ることを特徴とする請求項１ないし２記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記撮像手段の視野内に垂直方向に複数の領域を設け、複数の前記格子縞投影手段は該領域毎に異なる方向から格子縞を投影し、該領域毎に前記画像読出制御手段、前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段及び前記高さ演算手段をそれぞれ備えることにより、
格子縞の投影方向によって生じる影の影響を除去することを特徴とする請求項１ないし３記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記撮像手段の視野内で垂直方向に三つの領域を設け、一つの領域には赤色（Ｒ）、次は緑色（Ｇ）、最後は青色（Ｂ）をそれぞれ照射する三色投射手段と、
該領域毎に１水平ラインを読み出す前記画像読出制御手段と、
移動する前記被測定対象物の同一部位が同じ画像位置に来るよう、該領域の間隔に合わせて遅延を生じさせる前記先入れ先出し型ライン画像情報保持手段とを備えることにより、
連続的に移動する被測定対象物の二次元カラー画像を同時に取得できることを特徴とする請求項１ないし４記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
前記被測定対象物の形状に関し良品を規定する基準範囲を記憶する基準範囲記憶手段と、
実際に測定された前記被測定対象物の三次元形状ないし二次元形状が該基準範囲を満たすかどうかを判定する判定部とを備え、
該基準範囲に基づいて被測定対象物の良否を判定することを特徴とする請求項１ないし５記載の三次元形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１１２６３９（Ｐ２０１１−１１２６３９Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８５６５６（Ｐ２００９−２８５６５６）
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【出願人】（５０４０５８０１９）日本検査機株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【出願人】（５０４０５８０１９）日本検査機株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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