JP2006071512A - 三次元計測方法および三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透明または半透明の製品内の不良部分等の高さ位置の検出を高速で行う。
【解決手段】異なる角度で設置された２つのカメラ３、４の撮像範囲を合わせて、透明または半透明の被検査物Ｗ内の異物を同時に撮影し、各カメラ３、４の画面上の異物の重心位置をコンピュータ７の記憶装置に取込み、カメラ３、４による異物の位置情報に基づき、予め記憶された各カメラ３、４の設置角度およびカメラ５による被検査物Ｗの厚み情報等を用いた演算によって、被検査物Ｗ内の異物の高さ位置を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の撮影手段を用いて被検査物を撮影し、例えば製品内の不良部分等の位置を測定する三次元計測方法および三次元計測装置に関するものである。

一般的に被測定物の高さ方向を測定するために使用される三次元計測方法としては、レーザー変位計による三角計測法や共焦点法、合焦法、スリット光による光切断法などが知られている。

三角計測式レーザー変位計は、高精度で位置検査ができ、その検査の応答時間も速いという特徴を持っているが、検査できる位置はレーザービームのスポットが当たっている一点でしかなく、このため、検査にあたってスポット位置を走査して断面形状を検査するようにしている（特許文献１参照）。この方法では検査時間が非常に長くなるため、実際の検査装置として、例えば製品内の不良部分等の検出を行う場合には、検査効率が悪く、使用できなかった。

また、他の方法として被測定物にスリット光を照射し、照射したスリット光のズレから検査を行う光切断法などが提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、照射されるスリット光のライン状の光源幅の観点から、一回の取込み画像において光が照射されているライン上での高さ方向の情報しか得られないため、断面形状を検査するに当たり、光源のスリット光位置を等間隔で走査していかなければならず、やはり、製品内の不良部分の検出等には装置コストおよび検査効率上好適ではなかった。
特開平１１−８３４５３号公報 特開平５−６０５２４号公報

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、被検査物に対して、被検査物内の不良部分等異物の高さ方向の位置を高速で計測することのできる三次元計測方法および三次元計測装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の三次元計測方法は、透明または半透明の被検査物に対して照明光を照射し、前記被検査物内の異物を同一断面内にあって同時に撮影可能な位置に複数の撮影手段を設置する工程と、各撮影手段によって前記被検査物内の前記異物を同時に撮影し、その撮影画像により前記異物の位置データを得る工程と、前記位置データと各撮影手段の設置角度に基づいて前記被検査物内の前記異物の高さ位置を演算する工程とを有することを特徴とする。

複数の撮影手段を用いて、それぞれ被検査物の内部を撮影し、デジタル処理することにより、異物の高さ方向の位置を測定する。

複数の撮影手段で同時に撮影する一回の取込み画像による画像データに基づき演算処理を行うものであるため、製品内の不良部分等を極めて高速で検出することができる。

図１に示すように、ステージ１上の被検査物Ｗの裏面側に光源である投影装置２の照明光を照射し、表面側から撮影手段であるカメラ３、４を用いて同時に被検査物Ｗを撮影し、各カメラ３、４の画像をデジタル処理する。この撮影は、被検査物Ｗ内の任意の位置に対して、各カメラ３、４の撮像範囲を合わせて行われる。

すなわち、２個のカメラ３、４を使用し、両者の撮像範囲を任意点に合わせて、両カメラ３、４が被検査物Ｗに対し同時に同位置を撮影し、その複数画像による被検査物Ｗ内の異物の位置情報と各カメラ３、４の設置角度に基づき、被検査物Ｗを側傍から撮影する厚み検出用のカメラ５による被検査物Ｗの厚み情報を用いて、コンピュータ７の記憶装置および演算手段である処理装置におけるパラメータの設定および画像処理を行い、被検査物Ｗ内の異物の高さ方向の情報を得る。そして、その結果を表示装置８に表示する。

このように、被検査物の任意の位置に対して複数の撮像手段の撮像範囲を合わせ、異なる角度から被検査物中の異物を画像データとして取込み、取込み画像データによる異物の位置情報の違いと、撮影手段の設置角度の違いから、計測の基準位置を厚み軸方向０点としたときに、撮影手段で得られる被検査物中の異物の位置と基準位置との差の絶対値の和が、予め計測した被検査物の厚みに概略等しくなるようにプログラムのパラメータを設定して、画像処理を行うことにより被検査物内の異物の高さ位置の測定を行う。

複数のカメラの撮像範囲を任意点に合わせるためには、複数のカメラの設置角度と各カメラの撮像可能範囲の双方に配慮する必要がある。すなわち、単に、被検査物に対して撮影手段であるカメラの撮像可能範囲を合わせればよいのではなく、適合配置があることがわかった。

複数のカメラの撮像範囲について、各カメラの撮像可能範囲の位置は、カメラに撮影される被検査物の異物がすべてのカメラの被写界深度内に入る位置に設定する必要があり、また同時に、被検査物内の異物が被検査物の高さ位置に関係なく各カメラの取込み領域内に入ることが必要である。

そこで、アイリス絞りの調節ができ、被写界深度の調節が可能で、例えばその被写界深度が０．３〜０．５［ｍｍ］まで調節可能なレンズをカメラの対物レンズとして用いることにより、被検査物内の異物を画像データとして取込むことが可能になった。被写界深度については本実施の形態においては０．５［ｍｍ］としたが、被検査物の撮影が可能であれば、この数値に限定するものではない。

次に、複数のカメラの設置角度については、各カメラの撮像可能範囲位置と被写界深度との関係により決定される。なお、複数のカメラの任意点の同時撮像可能な範囲の位置と各カメラの設置角度の関係は実験的に最適値が得られる。カメラの設置角度は、１〜８９°（０°と９０°以外の角度）にすることができるが、好ましくは、分解能と被写界深度の関係から、１５〜６０°がよい。

図１の装置は、被検査物Ｗを支持するステージ１、投影装置２、カメラ（Ａ）３、カメラ（Ｂ）４、カメラ（Ｃ）５、レンズ６ａ〜６ｃ、記憶装置および処理装置を有するコンピュータ７、表示装置８、ステージ１の位置制御やカメラ（Ａ）３、カメラ（Ｂ）４等の設置角度の制御を行う駆動装置９を備えた三次元計測装置である。

投影装置２による照明光が被検査物Ｗの内部の異物により影として投影され、２つのカメラカメラ（Ａ）３、カメラ（Ｂ）４によって撮像される。

このときカメラ（Ａ）３、カメラ（Ｂ）４は、それぞれ１つの任意点で光軸を交差させ、これを基準位置として撮像可能範囲を持つように配置し、撮像可能範囲の位置情報をコンピュータ７の記憶装置に設定可能な位置となるような配置にしておく。配置する角度は１〜８９°まで設定できるが、分解能と被写界深度の関係から、１５〜６０°の範囲が望ましい。

また、撮像可能範囲の基準位置は任意点でよいが、本実施例ではレンズ６ａ、６ｂの被写界深度が被検査物Ｗの内部を充分にカバーできる幅とするために、被検査物Ｗ内部に設定した。なお、撮像可能範囲位置を被検査物Ｗの内部位置に設定可能なように、金属で作成したゲージのエッジ部を被検査物下端の位置に設定した。

また、被検査物Ｗの厚みを測定するためにカメラ（Ｃ）５を被検査物Ｗの横方向に設置する。このカメラ（Ｃ）５の設置角度は、被検査物Ｗの厚みを測定可能であれば特に限定するものではないが、測定分解能の観点から、本実施例においては９０°に設定した。

まず、図２に示すように、表示装置８に表示されたカメラ（Ａ）３の画面上の被検査物Ｗの幅（厚み）Ｘ、カメラ（Ｂ）４の画面上の被検査物Ｗの幅（厚み）Ｙと、カメラ（Ｃ）５の画面上の被検査物Ｗの幅（厚みの実測値）Ｔの間には以下の関係が成立する。
｜Ｘ｜＝Ｔ・ｓｉｎθ₁ （１）
｜Ｙ｜＝Ｔ・ｓｉｎθ₂ （２）

また、図３および図４に示すように、表示装置８に表示されたカメラ（Ａ）３の画面上の異物Ｖの重心位置の位置データである光軸位置０１からの離間距離ｘ、カメラ（Ｂ）４の画面上の異物Ｖの重心位置の位置データである光軸位置０２からの離間距離ｙ、カメラ（Ｃ）５の画面上の基準位置０から被検査物Ｗの下端までの離間距離ａ、異物Ｖの基準位置０からの高さ位置ｔ₀ 、異物Ｖの被検査物Ｗの下端からの高さ位置をｔとすると、以下の関係が成立する。まず、上記の式（１）、式（２）と同様に、位置データｘ、ｙの高さ方向の成分をｔ₁ 、ｔ₂ とすると、
ｘ＝ｔ₁ ・ｓｉｎθ₁ （３）
ｙ＝ｔ₂ ・ｓｉｎθ₂ （４）
式（３）、（４）から、
ｔ₁ ＝ｘ／ｓｉｎθ₁ （５）
ｔ₂ ＝ｙ／ｓｉｎθ₂ （６）
カメラ（Ａ）３とカメラ（Ｂ）４は同じ異物Ｖを撮像していることから、基準位置０からの水平方向の偏差をＳとすると、以下の２式が成立する。

ｔ₀ ＝−Ｓ・ｔａｎθ₁ ＋（ｘ／ｓｉｎθ₁ ） （７）
ｔ₀ ＝Ｓ・ｔａｎθ₂ ＋（ｙ／ｓｉｎθ₂ ） （８）
式（７）、（８）より、

また、被検査物Ｗ内の異物Ｖの高さ位置ｔは以下の式で表わされる。

ｔ＝ｔ₀ ＋ａ
（１０）
式（９）、（１０）より、

すなわち、図４に示す画像における位置データｘ、ｙとカメラ（Ａ）３、カメラ（Ｂ）４の設置角度θ₁ 、θ₂ および基準位置０の高さａを用いて、式（１１）の演算を行うことで、被検査物Ｗ内の異物Ｖの高さ位置ｔを求めることができる。

次に、図５に基づいて動作を説明する。ステップ１で、投影装置２は図示しない電源および制御部によって電源を供給され均一化された光量の可視光を発光する。スポットの大きさは、レンズ倍率とカメラ視野の観点からφ１０ｍｍ程度とした。ステップ２で、ステージ１を移動させて、スポット光を被検査物Ｗの所定の部位に照射する。ステップ３で、スポット光が被検査物Ｗに照射されると、異物Ｖによって影となり、レンズ６ａ、６ｂを通過し結像し、カメラ（Ａ）３、カメラ（Ｂ）４に画像として取込まれる。各レンズ６ａ、６ｂは、パーフォーカル光学系を用いた高解像度マクロズームレンズを使用し、アイリス絞り機能を有し光量を調節可能なものを使用し、各カメラ３、４において、像がハレーションを起こすことなく、精度よく結像できるようなものを選択した。

ステップ４で、撮像された画像はコンピュータ７の記憶装置および処理装置に電気信号で転送され、記憶装置に画像データとして収納される。その後画像データは、処理装置へ転送され、画像処理加工をほどこし、被検査物Ｗ中の異物Ｖによって形成された画像の位置情報（重心位置）を抽出する。その際には、各レンズ６ａ、６ｂの倍率、各カメラ３、４の設置角度θ₁ 、θ₂ 、撮像可能範囲の基準位置などの設定はあらかじめ処理装置のほうへ登録しておく。ステップ５で、横方向に設置されたカメラ（Ｃ）５は透明ないし半透明の板状物である被検査物Ｗの厚みＴを計測し、ステップ６で、カメラ設置角度θ₁ 、θ₂ と、カメラ３、４にて抽出された異物Ｖの位置情報である位置データｘ、ｙと、カメラ５による厚み情報から求められた基準位置０の高さａに基づいて、異物Ｖの高さ位置ｔを演算する。

また、駆動装置９と連動させ、設定した計測分解能に従いステージ１を制御し、検査位置を順次変えていくことで、被検査物Ｗ全体を検査することが可能である。

（具体例）
２つのカメラＡ、Ｂの設置角度をθ₁ 、θ₂ を３０．０°に設定し、計測を行った。そのときに用いた被検査物は製品内部に異物が埋没している物をサンプルとして選択した。なお、実際の欠陥部の高さ方向の位置は、従来例による三角計測式レーザー変位計より製品下端より３００μｍであることを確認しておく。

撮像可能範囲を製品下端位置に設定し、カメラＡ、Ｂによって検査した場合、異物すなわち欠陥部の高さ位置は製品下端位置より、３００μｍとなった。

本実施例においては、一回の取込み画像において撮像範囲１．５８×１．３６［ｍｍ］を測定することが可能なため、一回の取込み画像において光源が照射されているライン上での高さ方向の情報しか得られない光切断方式と比較して計測速度が向上した。

このことより、検査精度が同等で、測定に関し高速に測定することが可能であると判断できるので、一実施例における三次元計測は、従来例による計測より高速に計測が可能であることがわかる。

一実施例による三次元計測装置を説明する図である。 被検査物の厚み情報に関するパラメータを計算する方法を示す図である。 被検査物内の異物の高さ位置を計算する方法を示す図である。 各カメラの画像データを説明する図である。 三次元計測方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ステージ
２ 投影装置
３ カメラＡ
４ カメラＢ
５ カメラＣ
６ａ〜６ｃ レンズ
７ コンピュータ
８ 表示装置
９ 駆動装置

Claims (2)

1. 透明または半透明の被検査物に対して照明光を照射し、前記被検査物内の異物を同一断面内にあって同時に撮影可能な位置に複数の撮影手段を設置する工程と、各撮影手段によって前記被検査物内の前記異物を同時に撮影し、その撮影画像により前記異物の位置データを得る工程と、前記位置データと各撮影手段の設置角度に基づいて前記被検査物内の前記異物の高さ位置を演算する工程とを有することを特徴とする三次元計測方法。
2. 透明または半透明の被検査物に照明光を照射する光源と、前記照明光の透過光によって前記被検査物内の異物を撮影するための複数の撮影手段と、各撮影手段による前記異物の画像から得られた位置データと各撮影手段の設置角度に基づいて前記異物の高さ位置を演算する演算手段とを有し、前記複数の撮影手段は、前記被検査物内の任意の位置において互いに光軸を交差させ、それぞれの撮像範囲を合わせて撮影することを特徴とする三次元計測装置。

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