JP2006516719A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、３次元形状の測定の際に影領域の発生により測定密度が低下する問題を改善するために、ＸＹＺ軸移動手段によりＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動され、前記ワークステージに支持され固定された測定対象物の一方の側に格子イメージをＮ回走査して測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込み、交互に測定対象物の他方の側にＮ回走査して測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込むイメージ取り込み手段と、イメージ取り込み手段の一方の側に設けられ、所定の波長を有する光を発生して入射する発光手段と、ワークステージとＸＹＺ軸移動手段とを制御してイメージ取り込み手段の一方の側に設けられた発光手段から発生した光がワークステージの一方の側に設定された基準面に入射されて反射される光イメージをイメージ取り込み手段を介して受信し、垂直距離を測定して測定対象物とイメージ取り込み手段との焦点距離を一定に保つと共に前記イメージ取り込み手段から取り込まされた変形された格子イメージをそれぞれ受信して測定対象物の３次元形状を算出する制御部とを備え、測定対象物の影領域を除去して３次元形状を測定することにより、より精度よい３次元形状を測定することができる効果を有する。

Description

本発明は、３次元形状測定装置に関し、特に、測定対象物の３次元形状の測定の際に格子イメージを分配し、分配された格子イメージをそれぞれ測定対象物の一方の側と他方の側とに交互に走査し、３次元形状の測定の際に発生する影領域を除去できる３次元形状測定装置に関する。

３次元形状測定装置に関する従来の技術は、米国特許ＵＳ４、７９４、５５０号(出願日:１９８６年１０月１５日、出願人:Ｅａｓｔｍａｎ Ｋｏｄａｋ Ｃｏｍｐａｎｙ)に記載されており、これを添付図面を用いて概略的に説明すると、次のようになる。

図１は、従来の３次元形状の測定装置の構成図である。図示のように、光源１から発する光が格子移動機構４により矢印「ａ」方向に移動される格子２とレンズ３とを介して測定対象物の表面９に格子イメージの周期「ｄ」を有する水平光線１ａが照射され、照射された光は角度１ｂで散乱され、レンズ５を介してイメージセンサ６を備えたカメラ７に入射され、サンプルイメージを取り込み、取り込まれたサンプルイメージは、コンピュータ８で処理し、測定対象物の表面３の３次元形状を算出して表示素子８ｂにより表示されるように構成される。ここで、キーボード８ａは、モアレ縞を測定するための様々な情報を入力するために使用される。

従来のモアレ縞を用いた３次元形状の測定の際に測定対象物の任意の位置に測定できない影領域が生じてしまい、測定対象物の３次元形状を精度よく測定できないという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、測定対象物の３次元形状の測定の際に格子イメージを分配し、測定対象物の一方の側と他方の側とにそれぞれ格子イメージをＮ回走査し、測定対象物により変形された格子イメージを取り込み、３次元形状を測定することにより、影領域を除去して３次元形状の測定精度をより改善できる３次元形状測定装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、投影部と３Ｄカメラとを一直線上に配置して３次元形状測定装置をコンパクトに構成できるようにすることを他の目的とする。

本発明の３次元形状測定装置は、測定対象物の一方の側と他方の側とにそれぞれ格子イメージをＮ回ずつ走査し、測定対象物により変形された格子イメージを得ることにより、影領域と飽和領域とを一方の側と他方の側とでそれぞれ得られた位相値を用いて除去することにより、より精度よい３次元形状を測定することができ、投影部、分配器及び結像部を垂直方向に一直線上に配置することにより、イメージ取り込み装置をよりコンパクトに構成できるという効果を有する。

上記の目的を達成するため、本発明による３次元形状測定装置は、ベース部材の上側に設けられたＸＹＺ軸移動手段と、ベース部材に設けられ、測定対象物を測定位置に移動させて支持すると共に一方の側に所定の基準面が設定されたワークステージと、ＸＹＺ軸移動手段によりＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動され、ワークステージに支持され固定された測定対象物の一方の側に格子イメージをＮ回走査して測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込み、交互に測定対象物の他方の側にＮ回走査して測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込むイメージ取り込み手段と、イメージ取り込み手段の一方の側に設けられ、所定の波長を有する光を発生して入射させる発光手段と、ワークステージとＸＹＺ軸移動手段とを制御してイメージ取り込み手段の一方の側に設けられた発光手段から発生した光がワークステージの一方の側に設定された基準面に入射されて反射される光イメージをイメージ取り込み手段を介して受信し、垂直距離を測定して測定対象物とイメージ取り込み手段との焦点距離を一定に保つと共にイメージ取り込み手段から取り込まされた変形の格子イメージをそれぞれ受信して測定対象物の３次元形状を算出する制御部とを備えることを特徴とする。

また、前記イメージ取り込み手段は、光を発生する光源と、光源から発生した光を入射されるように光源の下側に設けられ、格子移動装置により移動される回折格子を介して格子イメージを生成させ、回折格子の下側に設けられた投影光学系を介して透過させる投影部と、投影部の下部に設けられ、投影部の投影光学系を介して入射される格子イメージをミラー移動装置により移動される第１及び第２のミラーを介して分配して第１及び第２のミラーの左右側にそれぞれ水平となるように設けられた第３のミラー及び第４のミラーと、第１のフィルタ及び第２のフィルタとを介して格子イメージを分配する分配器と、分配器の下部に設けられ、分配器の第１のフィルタと第２のフィルタとを介して透過され、測定対象物に入射されて反射される変形された格子イメージを結像ミラーを介して水平方向に反射させ、結像レンズと結像素子とを介して変形された格子イメージをカメラで取り込む結像部とを備えることを特徴とする。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。

図２は、本発明の３次元形状測定装置の全体構成を示す斜視図である。図示のように、ベース部材３０の上側にワークステージ２０が設けられる。ワークステージ２０の上側にはＸＹＺ軸移動装置１０が設けられる。Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向に自由に移動され、測定対象物(１００；図３参照)の３次元形状を測定するために、ＸＹＺ軸移動装置１０にイメージ取り込み装置４０が設けられる。そして、イメージ取り込み装置４０と、ワークステージ２０と、ＸＹＺ軸移動装置１０とを全般的に制御するために、ベース部材３０の一方の側に制御部(５０；図３参照)が設けられる。

ＸＹＺ軸移動装置１０は、イメージ取り込み装置４０をＸ、Ｙ及びＺ軸にそれぞれ移動させるためにリニアモータとボールスクリューとの何れかが適用される。測定対象物１００を測定位置に移動させるワークステージ２０は、図２から図４に示すように、第１のガイド２１と、第２のガイド２２と、ガイド移動装置２３とから構成される。

第１のガイド２１はベース部材３０に固定されるように設けられ、一方の側に所定の基準面が設定される。このような基準面は、イメージ取り込み装置４０が光を受信できるように、第１のガイド２１の上側の適切な任意の位置に設定されたり、ベース部材３０の任意の位置に設定される。第２のガイド２２は、第１のガイド２１を基準として測定対象物１００の大きさに応じて移動されるように設けられる。第２のガイド２２を移動させるために、第１のガイド２１と第２のガイド２２とそれぞれ直交するようにガイド移動装置２３が設けられる。ガイド移動装置２３には、モータ２３ａを備えたボールスクリュー２３ｂが適用され、第１のガイド２１と第２のガイド２２との内側には、測定対象物１００を移動させるためのモータ２４ａとベルト２４ｂとがそれぞれ設けられる。

制御部５０は、測定対象物１００を測定するために、先ず、測定対象物１００とイメージ取り込み装置４０との間の焦点が正確であるかを点検する。このために、制御部５０は、発光装置４８によってワークステージ２０の一方の側に設定された所定の基準面に対し、所定の波長を有する光を発生する。発光装置４８は、イメージ取り込み装置４０の一方の側に設けられている。すなわち、イメージ取り込み装置４０をＹ軸方向から見ると、発光装置４８は正面に見える。

発光装置４８は、所定の波長を有する光を発生するためにレーザポインタ(laser pointer)が使用される。測定対象物１００を測定する前に、制御部５０は発光装置４８で発生した光を基準面に入射させ、反射される光イメージをイメージ取り込み装置４０を介して受信して、基準面とイメージ取り込み装置４０との垂直距離を算出し、その結果によってＸＹＺ軸移動装置１０を制御することによってイメージ取り込み装置４０のＺ軸方向の距離を調整する。これにより、制御部５０は測定対象物１００とイメージ取り込み装置４０との焦点距離を一定に保つ。

測定対象物１００とイメージ取り込み装置４０との間の焦点距離が一定に保たれると、制御部５０は、イメージ取り込み装置４０を制御して測定対象物１００の３次元形状を測定する。このために、先ず、制御部５０は、ＸＹＺ軸移動装置１０を制御してイメージ取り込み装置４０をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動させ、ワークステージ２０に支持され固定された測定対象物１００に移動させる。移動が終了すると、イメージ取り込み装置４０は、測定対象物１００の一方の側に格子イメージをＮ回走査して、測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込み、交互に測定対象物の他方の側にＮ回走査して、測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込む。

イメージ取り込み装置４０で測定対象物１００の一方の側と他方の側とに交互にＮ回走査され取り込まれた変形された格子イメージを制御部５０でそれぞれ受信して測定対象物１００の３次元形状を算出する。ここで、制御部５０は、イメージ取り込み装置４０を制御して測定対象物１００の一方の側と他方の側とにそれぞれＮ回ずつ交互に格子イメージを走査した後、それぞれに対する変形された格子イメージを受信し、測定対象物１００の３次元形状を測定することにより、影領域を除去してより精度よい３次元形状を得る。

測定対象物１００の一方の側と他方の側とに交互にＮ回ずつ格子イメージを走査し、変形された格子イメージを取り込むイメージ取り込み装置４０の構成を添付の図３及び図４を用いてより詳しく説明すると、次のようになる。

図３に示すイメージ取り込み装置４０をＹ軸方向から正面に見るときのイメージ取り込み装置の構成図であり、図４に示すイメージ取り込み装置４０をＸ軸方向から正面に見るときのイメージ取り込み装置の構成図である。図示のように、イメージ取り込み装置４０は、投影部４１、投影部４１の垂直方向の下側に分配器(distributor)４４が設けられ、分配器４４の垂直方向の下側に結像部４５がそれぞれ設けられて、一点鎖線で示すイメージ取り込み装置のアウターケース４０ａのようにコンパクトに構成してもよい。

投影部４１は、光を発生する光源４１ａと、光源から発生した光を入射されるように光源４１ａの下側に設けられ、格子移動装置４１ｃにより移動される回折格子４１ｂを介して格子イメージを生成させ、回折格子４１ｂの下側に設けられた投影光学系４１ｄを介して透過させる。投影部４１の投影光学系４１ｄを介して透過される格子イメージは、分配器４４に伝達される。ここで、回折格子４１ｂは、液晶回折格子が適用できるし、格子移動装置４１ｄは、ＰＺＴアクチュエータ(Piezoelectric Actuator)が適用できる。

分配器４４は、投影部４１の投影光学系４１ｄの下側に設けられる。分配器４４は、格子イメージ分配ミラー４２を介してミラー移動装置により伝達され、投影光学系４１ｄから入射される格子イメージを分配する。格子イメージ分配ミラー４２は、第１及び第２のミラー４２ａ、４２ｂを有している。分配器４４は、第１及び第２のミラーの左右側にそれぞれ水平となるように設けられた第３のミラー４４ａ及び第４のミラー４４ｃにそれぞれ透過し、その後、第３のミラー４４ａと第４のミラー４４ｃとのそれぞれの下側に設けられた第１のフィルタ４４ｂと第２のフィルタ４４ｄとにより格子イメージをフィルタリングする。そして分配器４４は、測定対象物１００の一方の側と他方の側とに交互にそれぞれＮ回ずつ格子イメージを走査する。

測定対象物１００に走査された格子イメージは、測定対象物１００により変形された格子イメージを形成し、この変形された格子イメージを結像部４５で受信する。結像部４５は、分配器４４の下部に設けられ、分配器４４の第１のフィルタ４４ｂと第２のフィルタ４４ｄとを介して透過され、測定対象物１００の一方の側と他方の側とにそれぞれＮ回走査され形成される変形された格子イメージを、それぞれ結像ミラー４５ａを介して水平方向に反射させ、結像レンズ４５ｂと結像素子４５ｃとを介してカメラ４５ｄで取り込む。ここで、カメラ４５ｄは、測定対象物１００の変形された格子イメージをそれぞれ２×Ｎ個のフレームで取り込んで制御部５０に転送する。

制御部５０は、転送されたそれぞれの変形された格子イメージを用いて測定対象物１００の一方の側と他方の側とから得られた変形された格子イメージを用いて位相値を得ることにより、影領域と飽和領域とを得られた位相値を用いて除去して、より精度よい３次元形状を測定することが可能となる。

測定対象物１００の精度よい３次元映像を得るために、格子イメージを分配する格子イメージ分配ミラー４２においては、図５に示すように、第１のミラー４２ａと第２のミラー４２ｂとのそれぞれ傾斜したミラー面の中心線が互いに交差するように接合して形成される。第１のミラー４２ａにより測定対象物１００の一方の側にＮ回格子イメージを走査し、ミラー移動装置４３によりＹ軸方向に移動され、第２のミラー４２ｂにより測定対象物１００の他方の側にＮ回の格子イメージを分配して走査する。

格子イメージ分配ミラー４２の実施例では、図６及び図７に示すように、それぞれの傾斜面に第１のミラー４６ａと第２のミラー４６ｂとが設けられた三角ミラー４６を適用してもよいし、第１のミラー４６ａにより第３のミラー４４ａ及び第１のフィルタ４４ｂを介して格子イメージを測定対象物(１００；図３参照)の一方の側にＮ回走査した後、ミラー移動装置４３によりＸ軸方向に移動され、第２のミラー４６ｂにより格子イメージを分配し、分配された格子イメージを第４のミラー４４ｃと第２のフィルタ４４ｄとを介して測定対象物１００の他方の側にＮ回交互に走査する。

このような格子イメージ分配ミラー４２のさらに他の実施例では、図８及び図９に示すように、回転ミラー４７ａを適用してもよいし、回転ミラー４７ａにより格子イメージを第３のミラー４４ａと第１のフィルタ４４ｂとを介して測定対象物１００の一方の側にＮ回走査し、その後、図８に示すように、ガルバノミラーメータ(Galvano mirror meter；４７ｂ、図９参照)のような回転機構により所定の角度で回転され、格子イメージを第４のミラー４４ｃと第２のフィルタ４４ｄとで分配し、測定対象物１００の他方の側にＮ回走査する。ここで、格子イメージ分配ミラー４２を移動させる直線運動機構であるミラー移動装置４２ａは、エアーシリンダー、リニアモータ、及びボールスクリューの何れかが適用され、回転ミラー４７ａを回転させるための回転機構としての回転装置４７ｂは、ガルバノミラーメータが使用される。

以上のように測定対象物の３次元形状の測定の際に測定対象物の一方の側と他方の側とにそれぞれ格子イメージをＮ回ずつ走査し、測定対象物により変形された格子イメージを得ることで影領域と飽和領域とを一方の側と他方の側とでそれぞれ得られた位相値を用いて除去することにより、より精度よい３次元形状を測定することが可能となる。

本発明による３次元形状測定装置は、印刷回路基板のはんだ部分に対する良好または不良を判別する際に、はんだ部分を３次元で測定し、測定された結果によってはんだ部分の良好または不良を判別する産業分野に適用できるという技術的効果がある。

従来の３次元形状測定装置の構成図である。 本発明の３次元形状測定装置の全体構成を示す斜視図である。 図２に示すイメージ取り込み装置の構成図である。 図２に示すイメージ取り込み装置の構成図である。 図３に示す分配器の拡大斜視図である。 図３に示す分配器の実施例を示す図である。 図３に示す分配器の実施例を示す図である。 図３に示す分配器の他の実施例を示す図である。 図３に示す分配器の他の実施例を示す図である。

Claims (14)

1. ３次元形状を測定する装置において、
   ベース部材の上側に設けられたＸＹＺ軸移動手段と、
   前記ベース部材に設けられ、測定対象物を測定位置に移動させて支持すると共に一方の側に所定の基準面が設定されたワークステージと、
   前記ＸＹＺ軸移動手段によりＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動され、前記ワークステージに支持され固定された測定対象物の一方の側に格子イメージをＮ回走査して測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込み、交互に測定対象物の他方の側にＮ回走査して測定対象物により変形された格子イメージをＮ回取り込むイメージ取り込み手段と、
   前記イメージ取り込み手段の一方の側に設けられ、所定の波長を有する光を発生して入射する発光手段と、
   前記ワークステージとＸＹＺ軸移動手段とを制御してイメージ取り込み手段の一方の側に設けられた発光手段から発生した光がワークステージの一方の側に設定された基準面に入射されて反射される光イメージをイメージ取り込み手段を介して受信し、垂直距離を測定して測定対象物とイメージ取り込み手段との焦点距離を一定に保つと共に前記イメージ取り込み手段から取り込まされた変形された格子イメージをそれぞれ受信して測定対象物の３次元形状を算出する制御部とを備えることを特徴とする、３次元形状測定装置。
2. 前記ＸＹＺ軸移動手段は、前記イメージ取り込み手段をＸ、Ｙ及びＺ軸にそれぞれ移動させるために、リニアモータとボールスクリューとの何れかが適用されることを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 前記ベース部材に固定されるように設けられると共に一方の側に所定の基準面が設定される第１のガイドと、
   前記第１のガイドを基準として測定対象物の大きさによって移動されるように設けられる第２のガイドと、
   前記第１のガイドと前記第２のガイドとそれぞれ直交するように設けられ、第１のガイドを基準として第２のガイドを移動させるガイド移動装置とから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状測定装置。
4. 前記ガイド移動装置は、ボールスクリューが適用されることを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状測定装置。
5. 前記イメージ取り込み手段は、光を発生する光源と、該光源から発生した光を入射されるように光源の下側に設けられ、格子移動装置により移動される回折格子を介して格子イメージを生成させ、回折格子の下側に設けられた投影光学系を介して透過させる投影部と、
   前記投影部の下部に設けられ、投影部の投影光学系を介して入射される格子イメージをミラー移動装置により移動される第１及び第２のミラーを介して分配して第１及び第２のミラーの左右側にそれぞれ水平となるように設けられた第３のミラー及び第４のミラーと、第１のフィルタ及び第２のフィルタとを介して格子イメージを分配する分配器と、
   前記分配器の下部に設けられ、分配器の第１のフィルタと第２のフィルタとを介して透過され、測定対象物に入射されて反射される変形された格子イメージを結像ミラーを介して水平方向に反射させ、結像レンズと結像素子とを介して変形された格子イメージをカメラで取り込む結像部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状測定装置。
6. 前記投影部の回折格子は、液晶回折格子が適用できることを特徴とする、請求項５に記載の３次元形状測定装置。
7. 前記投影部の格子移動装置は、ＰＺＴアクチュエータが適用できることを特徴とする、請求項５に記載の３次元形状測定装置。
8. 前記分配器の第１及び第２のミラーは、傾斜したミラー面の中心線が互いに交差するように接合して形成されることを特徴とする、請求項５に記載の３次元形状測定装置。
9. 前記分配器の第１及び第２のミラーは、三角ミラーが適用されることを特徴とする、請求項５に記載の３次元形状測定装置。
10. 前記ミラー移動装置は、エアーシリンダー、リニアモータ、及びボールスクリューの何れかが適用されることを特徴とする、請求項５または６に記載の３次元形状測定装置。
11. 前記分配器の第１及び第２のミラーは、回転ミラーが適用されることを特徴とする、請求項５に記載の３次元形状測定装置。
12. 前記回転ミラーを所定の角度で回転させるために回転装置が設けられることを特徴とする、請求項１１に記載の３次元形状測定装置。
13. 前記回転装置は、ガルバノミラーメータが適用されることを特徴とする、請求項１２に記載の３次元形状測定装置。
14. 前記発光手段は、レーザポインタが使用されることを特徴とする、請求項１に記載の３次元形状測定装置。

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