JP2021021627A - 測定装置 - Google Patents
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Description
また、透明板1の上面を拭き掃除する際に散乱光反射物質2の上面も拭き取るので、散乱光反射物質2の上面が汚れて行くという問題を持つものであった。
しかるに、拡散反射が得られる面は表面の粗いもの、光沢や艶のないものであり、それは微細な凹凸面であるため、測定対象物の端子が擦れて削れた粒子、微細な埃、油脂などの汚れが入り込んだ状態で付着しやすく、それを取り除く除去は困難でありテーブル上面の反射品質が変わって行くという欠点を有するものであった。
しかし、テーブルが透明である場合は、正弦波パターン(サイン波パターン)の光は、透明物体の内部で反射・屈折・通過(透過)するため環境によって見え方が大きく変化するので光検出部で計測できる投影(拡散反射)が得られない。
また、テーブルが鏡などの鏡面反射の表面の場合には、正弦波パターン(サイン波パターン)の光は特定の方向にしか反射されない正反射なので、反射光はカメラに向かわず計測できない。
透明体の計測および鏡面の計測は、位相シフト法というより、その基礎にある三角測量自体が、苦手としており、XYZ精度、計測範囲、速度のバランスが良い位相シフト法のメリットは享受できない。
拡散反射(乱反射)とは、入射光が反射面で乱反射し様々な方向へされることいい、一般的に、表面の粗いもの、光沢や艶のないものは拡散反射の特性を強く持っている。
正反射は、入射角と反射角が反射面に対して等しく反射することをいい、一般的に、鏡、光沢や艶のあるものは正反射の特性を強く持っている。
<請求項1記載の発明>
照射部が照射する照射光が透過する透明テーブルの上面又は上方に測定対象物を位置させて、前記測定対象物からの前記照射光の反射光である対象物反射光を検出する光検出部を備えた測定装置において、
前記透明テーブルの下面、該透明テーブルの下面に開口を有する凹部内又は該透明テーブルの下方側に、前記透明テーブルを透過した前記照射光を反射して前記光検出部が検出可能な反射部反射光が得られる1つの反射片又は複数の反射片からなる反射部を設けたことを特徴とする測定装置である。
「反射片」の形状は多角形、円形、不規則形状など多様な形態のものを含む。また、反射片は、全面が反射面であるもの、一部が反射面であるもの(例えば、反射部分と非反射部分との組み合わせが格子状形態のもの、同一形状の非反射部が規則正しく整列されたものなど)などが含まれる。
前記照射部及び前記光検出部が前記透明テーブルの下方に設けられ、
前記反射部が、前記測定対象物の測定を可能としている測定可能領域の周囲に設けられた複数の前記反射片と、前記測定対象物の測定不要箇所の真下に当たる位置に設けられた前記反射片とかなるものであることを特徴とする請求項1記載の測定装置である。
「測定可能領域」は、測定対象物をセットする範囲が枠などによって物理的に規定されている範囲、光検出部の検出視野範囲、照射部の照射範囲などによって規定される範囲(領域)である。
前記照射部及び前記光検出部が前記透明テーブルの上方に設けられ、
前記反射部の前記反射片が1つでありかつ該1つの反射片の大きさが前記測定可能領域の大きさと略同じ大きさないし該測定可能領域を超える大きさであり、又は、前記反射部の前記反射片が複数でありかつ該複数の反射片が隙間を開けて前記測定可能領域の略全面を埋め尽くす配置形態で設けられてなることを特徴とする請求項1記載の測定装置である。
「配置形態」には、反射片が規則をもって整列配置されている形態、反射片が規則性なく配置(ランダム配置)されている形態を含む。
前記測定対象物を加熱する加熱炉が設けられ、
前記透明テーブルの上面は前記加熱炉内に位置し、
前記透明テーブルの下面は前記加熱炉外に位置し、
以上のように構成されてなることを特徴とする請求項1,2又は3記載の測定装置である。
<請求項1記載の発明の効果>
透明テーブルの下面、該透明テーブルの下側に解開口を有する凹部内又は透明テーブルの下方側(以下「透明テーブル下面等」という。)に反射部を設けた構成であるので、透明テーブル上面に置いた測定対象物、人の指又はピンセットなどの工具等が反射部に接触することがない測定装置を実現するとともに、透明テーブル上面を拭き取り清掃しても反射部が汚れることはないので該反射部の反射品質が影響を受けることがないという効果を奏する。
前記請求項1記載の発明と同様な効果を奏するとともに、反射部が、測定可能領域の周囲に設けられた複数の反射片(以下「周囲反射片」という。)と、測定対象物の測定不要箇所の真下に当たる位置に設けられた反射片(以下「非周囲反射片」という。)とからなるものであるので、測定対象物の大きさに対して光検出部の検出視野域が狭い場合に、該狭い検出視野域において周囲反射片に加えて非周囲反射片を検出することができるので、周囲反射片の測定データと非周囲反射片の測定データによる、例えば基準面の取得を可能とする。
前記請求項1記載の発明と同様な効果を奏するとともに、透明テーブルの上方から照射光を照射し該透明テーブルの上方から反射部反射光を検出する形態の測定装置において、透明テーブルの下面ないし下側の反射部は測定対象物や工具等の擦れ、油脂の付着、テーブル上面の汚れ除去清掃等の影響を全く受けないので、反射品質が変化しない反射部を実現するという作用効果を奏する。
加熱炉内に位置する透明テーブルの上面は加熱温度に直接さらされることになるのであるが、反射片は加熱炉外に位置する透明テーブルの下面ないし下方に設けた構成であるので、透明テーブルの断熱効果等によって反射片は加熱炉内の温度よりも低温での加熱影響となり、上面に設ける形態よりも加熱温度による影響が低減される。
照射光2が透過する透明テーブル3と、
透明テーブル3の下面に設けた照射光2を反射する反射片4と、
透明テーブル3の上部に設けられた貫通開口5を有する照射光2を透過する透過性部材(ここでは「石英ガラス」)からなる位置決め枠6(ここでは「石英ガラス」)と、
貫通開口21を有する側壁枠11と、
断熱ガラス7と、
側壁枠11の上部に透明テーブル3を位置させ下部に断熱ガラス7を位置させて、該側壁枠11、該透明テーブル3と断熱ガラス7とを一体化させている4本のボルト17と、
透明テーブル3と断熱ガラス7の間で側壁枠11の内側に形成された空間部14と、
透明テーブル3の下方である断熱ガラス7の下側に設けられた、照射光2を上方に向けて照射する照射部8、該照射光2の反射光を検出する光検出部9とを有してなる照射検出ユニット10と、
センサ基準距離算出部12と、を備えた構成となっている。
断熱ガラス7の無い形態でもよい。
測定可能領域26の周囲で透明テーブル3の下面に、適当な隙間をあけて略等間隔で複数の反射片4が配列(ここでは22個)されてなる反射部27が設けられている
反射片4は微細粉末セラミック系製の耐熱塗料を塗布したものであるが、これに限定されず、例えば、良好な反射面(鏡面を除く)のプレート片を透明テーブル3の下面に当接した形態で設けたもの又は非当接で位置させ設けたものなどでもよい。
図1に破線で示す筐体19の上部に、該筐体19と側壁枠11とにより加熱炉18が形成されており、加熱炉18内の下部側に透明テーブル3が配置されている。加熱炉18の熱源は熱風を流し込む加熱形態、透明テーブル3の上面や下面に透明ヒータを設けて加熱する加熱形態、ハロゲンランプなどの輻射熱で加熱する加熱形態などがある。
加熱炉18の天井に断熱性の透明石英ガラスからなる天井窓20が設けられ、該天井窓20から光検出手段によって、中の測定対象物Wの挙動を計測したり観察したりできるようになっている。
透明テーブル3及び断熱ガラス7は耐熱性の石英ガラスからなっているが、テーブル上面を拭き取り清掃をしても該テーブル上面に汚れ等が残らない状態となる硬質透明面であれば石英ガラスや、一般的な透明ガラスに限定されず、例えば、透明プラスチックプレートの表面に硬質の透過膜を形成したものなどもよい。
照射検出ユニット10はX,Y軸方向に水平移動可能に構成されており、水平移動は制御部30によって制御されている。
照射部8から照射された照射光2は測定対象物Wと反射片4で拡散反射され、測定対象物Wからの反射光である対象物反射光15及び反射片4からの反射光である反射部反射光16は光検出部9で検出され、その検出データ13はセンサ基準距離算出部12に送られる。
センサ基準距離算出部12は、光検出部9の基準面であるセンサ基準面DTから測定対象物Wの距離である対象物センサ基準距離zwとセンサ基準面DTから反射片4の距離である反射部センサ基準距離zhを算出する(図3の(a)図)。
センサ基準面DTは、照射検出ユニット10を制御する制御部30においてプログラムによって任意に決められた位置であり、値は0値(平坦度0値面)とされている。センサ基準面DTは「幾何公差の基準「データム」」である。
透明プレート3の上面の上方に測定対象物Wを位置(セット)する形態には、例えば、測定対象物Wの上部面を吸着する吸着部を有するアーム等による支持する形態などがある。
左右それぞれに位置するプロジェクタである照射部8、8から正弦波形(縞パターン)の照射光2が測定対象物W及び反射片4に投影され、その拡散反射光である対象物反射光15及び反射部反射光16が中央に位置するCMOSカメラからなる光検出部9で検出(撮像)され、その画像データである検出データ13は制御部30のセンサ基準距離算出部12に送られる。
反射部センサ基準距離zhは各反射片4毎に定められる代表値(代表点)であり、かかる代表値(代表点)は各反射片4内の複数の位置(x、y)のうちの最も低い位置(x、y)、最も高い位置(x、y)又は各位置(x、y)の平均値などにより定めることができ、このどれを採用するかをオペレータが選択できるようにしてもよいし、当初からいずれかに固定され自動的に特定するようにしてもよい。
透明テーブル3の上面と下面はほぼ平行になるように作製される(ここでは、両面ともに平坦度3μm以下の互いに平行な面であることが好ましい)。但し、透明テーブル3はその自重によりミクロ単位では反りが生じ、実際の平坦度はこの反りの影響を受けた傾斜した値(平坦度が0値ではない)となる。この反り等の影響によって、透明テーブル3の下面に設けた反射片4の面は傾斜面となり、さらにそれぞれの反射片4の下面位置は同じではないので、プログラム上に作成される、例えば三か所の反射片を結ぶ三角平面は傾斜面(平坦度が0値ではない)となってしまう。よって、反射片4の測定データによるプログラム上の基準面等を特定するにあたって、プログラム上で傾きを補正して平坦度が0値の平面の基準面データにして、平坦度が0値の基準面からの測定対象物Wの浮き距離を取得できるようにする必要がある。基準面eh及びoffset基準面EFはプログラム上の仮想的な平面である。
基準面設定部31において、反射部センサ基準距離zhを求め、これに基づいて基準面ehを作成する(図3の(a)図)。
基準面ehは、以下のように作成される。
手動操作によって又は自動的に選択された3つの反射片4の各代表値(代表点)を特定して、この3つの反射片4の各代表値(代表点)を結んで三角形面を作成する。次に、該三角形面の傾き(計算されたプログラム上の傾斜面)を平坦度0値の平面に補正し、この補正した平坦度0値の平面(計算されたプログラム上の平面)を全体の面位置としそれを基準面ehとする。
offset基準面EFは、透明テーブル3は透明であるため上面を検出することができないことから、offset基準面EFを透明テーブル3の上面近傍に設定して、これを透明テーブル3の上面と擬制して、offset基準面EFを基準とした測定対象物Wの位置を算出するものである。offset基準面EFの位置は、図3(b)の位置に限定されるものではなく、使用者の便宜に応じて適宜所望の位置に設定することが可能である。
また、透明テーブル3は自重による反りもあるので、それを勘案したoffset基準面EFの設定を自動的にないしオペレータの手動によって行うようにしてもよい。
制御部30には傾き補正部34が設けられていて、この傾き補正部34は基準面ehの傾きを0度(平坦度値が0値)とする傾き補正を行った後でoffset基準面EFを設定する。基準面ehでの傾き補正を行わずに、offset基準面EFにおいて平坦度を0値とする傾き補正を行うのもよい。
制御部30には浮き距離算出部33が設けられている。
浮き距離算出部33は、センサ基準面DT(平坦度値が0値)からoffset基準面EF(平坦度値が0値)までの距離である基準距離ktを算出するとともに(図3の(b)図)、(対象物センサ基準距離zw−基準距離kt)の計算を行ってoffset基準面EF(平坦度値が0値)からの測定対象物Wの測定対象箇所mwの浮き距離UZを算出する(図3の(c)図)。
浮き距離UZは全ての各位置(x、y)において行われるか、指定された領域内の各位置(x、y)において行われる。測定目的によって、指定された領域内の各位置(x、y)の平均値、最も高い各位置(x、y)、最も低い各位置(x、y)を代表値として決定するなどを行う。
センサ基準面DT、基準面eh及びoffset基準面EFはプログラム上に作成される仮想的な平面である。
位相シフト法(フェーズシフト,Phase shifting)は、プロジェクタを用いた3次元計測手法の一種であり、sin波を位相をずらしながら投影することで、測定対象物を3次元計測するものである。例えば、プロジェクタのX座標について考えると、投影パターンとして、プロジェクタのX方向に、適当な周期のサイン波パターンを作成し、それと同じ周期のサイン波を,位相を2/3π、−2/3πずらしたパターンをそれぞれ作成して、これらのパターンを投影しながら,カメラで撮影する。これらの撮影した画像の各ピクセル(各位置(x、y))の輝度値の変化から各ピクセルの位相を求めることにより、3次元計測が可能としている。
また、透明テーブル本体の上面に透過膜が形成されている該透過膜の上面が透明テーブル3の上面であるものは、該透過膜が測定対象物の該上面への接触部位やピンセットなどの使用工具よりも硬質であり、かつ、少なくとも鏡面仕上げされたないし鏡面仕上げと同等の滑らかさである。
3次元計測では、例えば、単眼視法、両眼視法、多眼視法、光レーダ法、光投影法、モアレ法、照度差ステレオ法があり、また、フォーカス変位センサ、ラインセンサ、1次元レーザ変位計、2次元レーザ変位計、光切断法などによる測定もあり、これらの測定方法によるものも本願発明の技術的範疇に含まれる。
光検出部9は、CMOSカメラに限定されるものではなく、例えば、CCDカメラ、ラインセンサカメラ(例えば「TDIカメラ」など。)、TOFカメラなど、多様な検出部が技術的範疇に含まれる。本願発明における反射片は拡散反射片に限定されるものではない。鏡面反射など(正反射片など)も本願発明の技術的範疇に含まれるものである。例えば、レーザ変位計によるものは鏡面を高精度測定するのに適している。
本願発明は、加熱炉の無い構成の測定装置もその技術的範疇に含むものである。
測定対象物Wは視野域24a〜24iに跨る大きさであり、反射片4を測定不要箇所WXの真下に当たる位置にも設けたことによって、全ての視野域の検出が3つ以上の反射片4を検出することになるので、全ての視野域毎に3つの反射片4を直線で結ぶ三角形平面を作成して各視野域の各基準面ehを作成することを可能としている。
反射片4が接着性のある塗布部材であり、該反射片4の下に、位置決め枠6と略同形態の枠体36を反射片4によって接着固定形態で設けた点にある。
枠体36によって反射片4の下面が真っ平とされている。
枠体形態ではなく、石英ガラス片を一つ一つの反射片4に接着する形態もよい。
<図(a)>
反射片4を透明テーブル3とは別体である透明プレート40の上面に設け、反射片4が透明テーブル3の下方側に位置するように、透明テーブル3の下方側にワッシャ41を挟んで透明プレート40を設けた点にある。
<図(b)>
反射片4を透明テーブル3とは別体である透明プレート40の上面に設け、透明テーブル3の下面に反射片4が接する形態で透明プレート40を該透明テーブル3の下側に設けた点にある。反射片4の上面は透明テーブル3の下面に接着固定形態とするのもよい。
<図(c)>
反射片4を透明テーブル3とは別体である透明プレート40の凹部42内に設け、透明プレート40を透明テーブル3の下側に接する形態で設け、反射片4を透明テーブル3の下方側に位置するように設けた点にある。
透明プレート40はボルト17によって着脱自在形態で透明テーブル3の下側に固定されていて、交換可能形態となっている。
「測定可能領域26の略全面を埋め尽くす配列形態ないし配散らす形態」には、測定可能領域26の範囲を超えて反射片4で埋め尽くす形態もよい。
側壁枠11が筐体19に固定され、透明テーブル3が側壁枠11上部にボルト17によって交換可能形態で固定されている。
照射光は透明テーブル3を透過し反射片4の上面に投影され、その反射部反射光が透明テーブル3を透過して照射検出ユニット10の光検出部で検出される。
1つの反射片4片からなる反射部27の形態としては、例えば、反射部材で全面を塗りつぶす、一枚のシート部材やプレート部材からなる反射部材を張り付ける、透明テーブル3の下面に接触保持する、透明テーブル3の下側に位置させるなどがある。
反射片4の配列の異なる透明プレート40と差し替えての使用が容易に行える。
測定対象物Wの上面の測定データと下面の測定データを同時に取得することができる。
照射検出ユニット43の検出データに基づく高さデータの基準位置は、高さの基準位置はoffset基準面EFとするのがよい。
zw:対象物センサ基準距離、
zh:反射部センサ基準距離、
eh:基準面、
EF:offset基準面、
kt:基準距離、
mw:測定対象箇所、
UZ:浮き距離、
(x、y):各位置、
W:測定対象物、
WX:測定不要箇所
1:測定装置、
2:照射光、
3:透明テーブル、
4:反射部、
5:貫通開口、
6:位置決め枠、
7:断熱ガラス、
8:照射部、
9:光検出部、
10:照射検出ユニット、
11:側壁枠、
12:センサ距離算出部、
13:検出データ、
14:空間、
15:対象物反射光、
16:反射部反射光、
17:ボルト、
18:加熱炉、
19:筐体、
20:天井窓、
21:貫通開口、
23:視野幅、
24:測定視野域、
24a〜24i:視野域、
25:画像データ合成部、
26:測定可能領域、
27:反射部、
30:制御部、
31:基準面設定部、
32:offset部、
33:浮き距離算出部、
34:傾き補正部、
35:凹部、
36:枠体、
40:透明プレート、
41:ワッシャ、
42:凹部、
43:照射検出ユニット。
Claims (4)
- 照射部が照射する照射光が透過する透明テーブルの上面又は上方に測定対象物を位置させて、前記測定対象物からの前記照射光の反射光である対象物反射光を検出する光検出部を備えた測定装置において、
前記透明テーブルの下面、該透明テーブルの下面に開口を有する凹部内又は該透明テーブルの下方側に、前記透明テーブルを透過した前記照射光を反射して前記光検出部が検出可能な反射部反射光が得られる1つの反射片又は複数の反射片からなる反射部を設けたことを特徴とする測定装置。 - 前記照射部及び前記光検出部が前記透明テーブルの下方に設けられ、
前記反射部が、前記測定対象物の測定を可能としている測定可能領域の周囲に設けられた複数の前記反射片と、前記測定対象物の測定不要箇所の真下に当たる位置に設けられた前記反射片とかなるものであることを特徴とする請求項1記載の測定装置。 - 前記照射部及び前記光検出部が前記透明テーブルの上方に設けられ、
前記反射部の前記反射片が1つでありかつ該1つの反射片の大きさが前記測定可能領域の大きさと略同じ大きさないし該測定可能領域を超える大きさであり、又は、前記反射部の前記反射片が複数でありかつ該複数の反射片が隙間を開けて前記測定可能領域の略全面を埋め尽くす配置形態で設けられてなることを特徴とする請求項1記載の測定装置。 - 前記測定対象物を加熱する加熱炉が設けられ、
前記透明テーブルの上面は前記加熱炉内に位置し、
前記透明テーブルの下面は前記加熱炉外に位置し、
以上のように構成されてなることを特徴とする請求項1,2又は3記載の測定装置。
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