JP3942252B2 - 3次元測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元測定装置、特に、電子部品実装システムのクリーム半田印刷機等に使用される3次元測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子部品が搭載される基板には、電子部品と配線を導通させるためにクリーム半田が印刷されている。この印刷されたクリーム半田の形状を測定するために、光切断法を用いた3次元測定が行なわれている。光切断法は、細いスリット状の光束で対象物(クリーム半田)表面を切断するように照射し、表面に生じる切断線の形状から被測定物の表面形状あるいは表面凹凸を測定するもので、その一例が図8に示されている。
【0003】
図8において、レーザダイオード21から発光されたレーザ光は、フォーカシング非球面レンズ22により集光され、被測定物28に照射する付近で直径0.2mmの大きさのビームスポットになるように絞られる。フォーカシング非球面レンズ22を通過したレーザ光は、光路の途中に配置された振動ミラー23で反射され、ハーフミラー24を通過して被測定物28に投光される。振動ミラー23は、不図示の駆動装置により図示したように矢印の方向に振動することによって、ビームスポットは被測定物28の表面をあたかも一本の線が引かれているように走査し、これにより光切断法で必要なスリット状の光束が被測定物に引かれる。
【0004】
振動ミラ−23と測定対象物28の間に配置されたハーフミラー24で反射した走査光は、光走査方向位置検出用のPSD(ポジション・センシング・デバイス)25に導かれ、光振動ミラー23の回転角を知ることができ、走査(X軸)方向の位置を定めることができる。一方、被測定物28からの反射光は、投光系の光軸と18度から30度の角度で配置された結像レンズ26によって集光され、縦(Z軸)方向位置検出用PSD27に結像される。PSD27に結像されるスポット位置は被測定物の高さが異なると変化し、それを電圧変化として取り出すことができるので、被測定物28の表面の凹凸(Z軸方向の位置)を測定することができる。そして、測定装置全体を光走査方向と直交方向(Y軸方向)に移動して、上記測定を繰り返すことによって、被測定物28の3次元位置を測定している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した3次元測定では、光走査位置を検出するのにPSDを使用しているが、その電圧特性の直線性が良好でないので、使用される各PSDに対して特性を計算し、補正を行なう必要がある、という問題がある。
【0006】
また、PSDを用いて高さ測定を行なう場合、PSDに結像されるスポットの重心位置の変化を取り出しているための、スポットの輝度を考慮したデータが得られず、また温度に従ってPSDの特性が変化するので、正確な高さ測定が困難である、という問題もある。
【0007】
また、従来の3次元測定装置では、フォーカシング非球面レンズと被測定物間の距離が長いために、開口数(N.A.)が小さくなってしまうので、レーザ光を絞ることができないことから、測定精度を上げることが出来ないという欠点がある。
【0008】
さらに、従来の3次元測定では、被測定物の全体の凹凸を測定するために、一つのライン光を描くたびに、測定装置全体をライン光の延びる方向と直交方向に移動させる必要があるので、測定装置を移動するための駆動装置が大掛かりなものとなり、その移動時に振動も発生してしまうため、正確な測定が困難であるという問題もある。
【0009】
従って、本発明は、高精度かつ高速に被測定物の3次元位置を測定することができる3次元測定装置を提供することをその課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明では、
被測定物にライン光を照射し光切断法に基づいて該被測定物の3次元情報を測定する3次元測定装置において、
レーザ光源と、
レーザ光源からのレーザ光を平行光束にする手段と、
前記平行光束にされたレーザ光をライン光として被測定物へ投光する投光ユニットと、
前記投光ユニットを平行光束に向かって前後に移動させ前記ライン光を被測定物上で該ライン光の延びる方向と直交方向に移動させる投光ユニット移動手段と、
前記ライン光の移動によって走査される被測定物を投光軸と所定の角度で撮像する撮像手段とを備え、
撮像された被測定物の像から被測定物の3次元情報を取得する構成を採用している。
【0011】
このような構成では、平行光束にされたレーザ光がライン光として被測定物に投光され、またライン光を投光する投光ユニットが平行光束に向かって前後に移動され、ライン光の延びる方向と直交方向に移動される。このとき投光ユニットは、常に平行光束を受光して、被測定物に一定の幅のライン光を結像するので、投光ユニットを移動するだけで複数のライン光を被測定物上に形成することができ、高速でしかも高精度の光切断法を用いた3次元測定が可能になる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施形態に従って、本発明を詳細に説明する。
【0013】
図1は本発明の1実施形態を示した3次元測定装置の主要光学部品の構成図であり、図2はその側面図である。各図において、符号1で示すものは、レーザ光源としてのレーザダイオードで、このレーザダイオード1から発光されたレーザ光は、コリメートレンズ2で光学中心軸に平行な平行光束1aにされる。このレーザ平行光束1aは、フォーカスレンズ3と投光ミラー4とラインジェネレータレンズ5が組み込まれている投光ユニット7に入射する。レーザ光束は、投光ユニット7内のフォーカスレンズ3によりスポット光となるように絞り込まれ、投光ミラー4によって垂直軸(Z方向)に対して45度の角度に反射され、ラインジェネレータレンズ5によって幅14〜20μm、長さ10mmのライン光9となり、被測定物11上にX方向にライン光9を形成する。
【0014】
被測定物11からの散乱反射光は、光軸6aが垂直軸となるように配置された6mmx6mm視野のノンインターレース式CCDカメラ6により撮像される。また、この投光ユニット7は、リニアモータ8のシャフト8aに取り付けられており、リニアモータ8がY方向に約10mmのストロークで直線運動を行なうことにより、2重矢印で示したように、平行光束1aに平行に往復移動する。この投光ユニット7の移動によりライン光9はライン光の伸びるX方向と垂直方向に移動することになる。
【0015】
図3は、3次元測定装置の回路構成を示したブロック図である。同図において、リニアモータ駆動指令器31は、CPU44からのスタート信号を受けて、リニアモータドライバ32にリニアモータ駆動用の指令パルス列を出力し、リニアモータ8を1パルス当たり0.25μm移動させる。リニアモータ駆動指令器31は、同時にLD(レーザダイオード)オン/CCDトリガタイミングデコーダ(以下タイミングデコーダという)35に正/逆方向信号を送り、リニアモータ8が正方向か逆方向のどちらに移動しているかを知らせる。
【0016】
リニアモータドライバ32は、指令パルス列を受けてリニアモータを駆動するとともに、リニアモータ8内蔵の位置エンコーダ8bからの実際位置を示す信号を受けてリニアモータ8への供給電圧を調整し、リニアモータの位置をフィードバック制御する。
【0017】
位置カウンタ34は、リニアモータ8の位置エンコーダ8bにより90度位相の異なるA相信号、B相信号を受け、リニアモータ8の位置を示す位置信号をデジタルデータで出力する。なお、位置カウンタ34のリセットは、位置エンコーダ8bの原点リセット信号により行なう。
【0018】
タイミングデコーダ35は、位置カウンタ34からの位置データを受けてLDオンのタイミング信号(160μmピッチ)を出力する。この信号の立ち上がりを受けて、ワンショットマルチバイブレータ(MS)46は、2ms幅のLDオンパルスをレーザダイオードドライバ36に出力し、レーザダイオード1をパルス点灯する。レーザダイオード1には、光量モニタフォトダイオード(不図示)が内蔵されており、これによりレーザダイオード1の光量が一定に制御される。
【0019】
なお、LDオンの最中にも、リニアモータ8が動いているために、移動方向によりライン光位置がずれるための補正と、正方向と逆方向で半ピッチ分(実施例では80μm)ズラすために、上述したようにリニアモータ駆動指令器31から正/逆方向信号が入力される。
【0020】
位置ラッチ37は、位置カウンタ34から出力される位置データをLDオンのタイミングの立ち上がりでラッチし、そのときのライン光のY方向の位置をMS46からのLDオンパルスの立ち下がりタイミングに同期してCPU44に伝えている。LDオン中にもライン光が移動して、実際のライン光位置とずれを生じるが、これについては、ライン光移動速度とLDオン時間と正/逆方向信号により、CPU44内で補正を行なっている。
【0021】
一方、同期信号タイミング発生器39は、タイミングデコーダ35からCCDカメラ同期タイミング信号を受け、HD水平同期信号とタイミングを合わせたVD垂直同期信号を出力する。このVD垂直同期信号に関連して、前フレームの各画素の光量データ読み出しが開始される。同時に、各画素での光量蓄積が始まり、ライン光9(この実施形態では4本分)による画像がCCDカメラ6のCCDエリアイメージセンサ38上に取得される。
【0022】
CCDエリアイメージセンサ38上の像は、同期信号タイミング発生器39からの垂直レジスタ転送クロック、水平レジスタ転送クロック等により、ドライバ33を介して各画素の光量値(アナログ値)として読み出される。これが、アンプ47を介して、A/D変換器48に入力され、デジタルデータとして、コンパレータ(比較器)40に入力される。そして、A/D変換された各画素の光量値(デジタルデータ)がしきい値49と比較され、二値化が行なわれる。なお、A/D変換中のサンプルホールドのタイミングは、水平(レジスタ転送)クロックにより行なわれ、そのときの入力値がホールドされA/D変換される。
【0023】
立上り/立下り検出器41は、コンパレータ40からの二値化された光量データを受けてその立上り及び立下りに同期してパルスを出力する。このパルスは、FIFOメモリ45に書き込みパルスとして入力され、立上り/立下り時の水平アドレスカウンタから送られてくる水平アドレスがFIFOメモリ45に書き込まれる。この水平アドレスカウンタ42は、同期信号タイミング発生器39からの水平同期信号の立下りでリセットされ、その後水平クロックをカウントすることにより、現在の水平方向の位置を出力するものである。
【0024】
有効水平走査区間検出回路43は、VD垂直同期信号によりリセットされ、HD水平同期信号をカウントして、CCDエリアイメージセンサ38の有効画素部分の水平走査区間信号を出力する。そして、この信号により、FIFOメモリ45の書き込みを有効にする。
【0025】
CPU44は、有効水平区間検出信号が有効になってから1フレーム分の光点位置データの読み込みをスタートさせる。すなわち、HD水平同期信号により、最初の有効な水平走査により、FIFOメモリ45に光点データが書き込まれた後で、次の水平走査の開始とともに、FIFOメモリ45のデータを読み込む。この操作を有効水平走査数だけ繰り返す。
【0026】
CPU44は、このようにして得られた1フレーム分の光点位置データの基準値からのずれを、各ラインごとに演算して高さデータを求める。
【0027】
次に、このように構成された装置の動作を説明する。
【0028】
CPU44は、リニアモータ駆動指令器31にスタート信号を発生し、リニアモータ8を所定位置に移動させる。所定の位置にくると、位置カウンタ34によって駆動されるタイミングデコーダ35によりLDオン信号が発生してレーザダイオード1が点灯する。
【0029】
レーザダイオード1から発光されたレーザ光は、コリメートレンズ2で集光されて、光学中心軸に対して平行な平行光束1aとなり、フォーカスレンズ3によりスポット光となるように絞り込まれる。このレーザスポット光は、投光ミラー4によって入射角に対して45度の方向に反射され、ラインジェネレータレンズ5に入射する。このレンズ5によりレーザスポット光は、プリズム効果によって一方向(X方向)に引き伸ばされて、被測定物11上で幅14μm、長さ10mmのライン光9となる。
【0030】
リニアモータ8は、指令器31の信号に従って一定速度4.8mm/secでY方向に移動され、それに従ってリニアモータ8のシャフトに結合された投光ユニット7もY方向に平行光束1aに平行に直線運動する。投光ユニット7は、平行光線に向かって前後方向に移動するが、フォーカスレンズ3は常に平行光束1aを受光することになるので、フォーカスレンズ3の結像作用には影響を及ぼすことはなく、被測定物11には、常に一定の幅のライン光9が結像される。
【0031】
リニアモータ8が新たな位置にくると、タイミングデコーダ35によりレーザダイオード1がパルス点灯して同様なライン光9が被測定物11上に引かれ、以下リニアモータ8の移動に従い、複数のライン光が順次引かれていく。これらの各ライン光は、それぞれライン光の伸びる方向(X方向)と垂直方向(Y方向)になっている。
【0032】
このように複数のライン光9で走査された被測定物11からの拡散反射光は、被測定物11の上部に設置された視野6mm×6mmで、ノンインターレース式のCCDカメラ6によって撮像される。本実施形態では、4本のライン光で走査された被測定物領域が1フレーム分としてCCDカメラ6により撮像される。
【0033】
リニアモータ8が所定量移動するごとに、タイミングデコーダ35からのCCDカメラ同期タイミング信号がタイミング発生器39に入力され、タイミング発生器39は、HD水平同期信号とタイミングを合わせたVD垂直同期信号を出力する。このVD垂直同期信号に同期して前フレームに対応するイメージセンサ38の各画素の光量データの読み出しが開始され、同時に次のフレーム分(4本分のライン光9)に対応する画像に対してイメージセンサ38の各画素での光蓄積が開始される。
【0034】
CCDエリアイメージセンサ38から読み出される各画素の信号は、上述したように、増幅、A/D変換された後、コンパレータ40により2値化され、検出器43により有効水平走査期間が検出されたときにしきい値49を越える画素の水平アドレスがFIFOメモリ45に格納される。これが水平走査数だけ繰り返され、FIFOメモリ45には、しきい値を越えた光点の画素の水平アドレスが1フレーム分格納される。
【0035】
CPU44は、有効水平区間検出信号が有効になってから1フレーム分の光点位置データの読み込みをスタートさせ、最初の有効な水平走査によりFIFOメモリ45に光点データが書き込まれた後で、次の水平走査の開始とともに該水平走査の有効な部分の光点データを書き込み、更に前の水平走査で書き込まれたFIFOメモリ45のデータを読み込み、この操作を有効水平走査数だけ繰り返して、1フレーム分のデータを読み込む。
【0036】
CPU44は、このようにして得られた1フレーム分の光点位置のデータを各ラインごとに基準値と比較してそのずれを求め、そのずれに応じて高さデータを求める。
【0037】
被測定物が、電子部品と配線を導通させるためのクリーム半田が印刷されている基板である場合、上記のようにして撮像された1フレーム分の画像が図4に図示されている。図中、左側に盛り上がった部分がクリーム半田の部分である。
【0038】
このようにして、リニアモータ8が一方向に所定量(約10mm)移動すると、リニアモータは逆方向に移動し、正方向に移動したのと同様な処理が行われ、各フレーム毎に高さデータが取得される。
【0039】
なお、上述したように、レーザダイオード1がオンの最中にも、リニアモータ8が動いているために、移動方向によりライン光位置がずれるための補正がCPU44において行われる。また、リニアモータの正方向と逆方向でタイミングが半ピッチ分(実施例では80μm)ずらされる。
【0040】
なお、図2において、リニアモータ8は投光ユニット7の右側に配置されているが、図5に示すように、リニアモータの移動軸とコリメートレンズ2によって形成される平行光束の光軸2aが平行になるようにしてリニアモータ8を平行光束の向こう側に配置するようにすることもできる。このような構成にすることにより装置の幅を小さくすることができる。また、図2と同様に、CCDカメラ6の受光軸6aと平行光束の光軸2aが直交するように配置することにより上記幅の範囲内でCCDカメラ6を配置することができる。
【0041】
図6には、本発明の他の実施形態が図示されている。この実施形態では、ラインジェネレータ5を取除き、フォーカスレンズ3に代えてシリンドリカルレンズ3Aが使用されている。なお、必要に応じて、シリンドリカルレンズ3Aとコリメートレンズ2の間に、コリメートレンズ2に近接してビームエキスパンダを挿入する。
【0042】
この実施形態においても、レーザダイオード1から発生したレーザ光は、コリメートレンズ2で集光されて、光学中心軸に対して平行な平行光束とされ、シリンドリカルレンズ3Aに入射され、帯状平行光束となる。そして、この帯状平行光束が、投光ミラー4によって入射角に対して45度の方向に反射され、被測定物11にライン光9として投光される。
【0043】
また、図7に示す実施形態では、レーザー平行光を所定角度で振る振動ミラー20が使用されている。同図において、レーザダイオード1から発生したレーザ光は、コリメートレンズ2で集光されて、比較的径の小さな平行光束となり、振動ミラー20に投光される。振動ミラー20は、この平行光束をフォーカスレンズ3の有効径の範囲で左右に振動させ、投光ミラー4に入射させる。そして、レーザ光束は、この投光ミラーにより45度の方向に反射され、被測定物に入射される。振動ミラー20を約30Hzで振動させことによって、レーザ光がライン光9のようになる。
【0044】
図6及び図7に図示の実施形態における他の構成及び機能は、図1、図2あるいは図5に示したのと同じであり、その説明は省略する。
【0045】
なお、各実施形態において、レーザ光を被測定物11の真上から投光し、CCDカメラ6を斜めに角度を付けて配置することによっても本発明を実現することができる。この方法による時は、受光像の遠近の補正を行う必要があり、CCDカメラ6の撮像レンズにはあおりの機能を付加する必要が有る。
【0046】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、平行光束にされたレーザ光がライン光として被測定物に投光され、またライン光を投光する投光ユニットが平行光束に向かって前後に移動され、ライン光の延びる方向と直交方向に移動される。このとき投光ユニットは、常に平行光束を受光して、被測定物に一定の幅のライン光を結像するので、投光ユニットを移動するだけで複数のライン光を被測定物上に形成することができ、高速でしかも高精度の光切断法を用いた3次元測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる3次元測定装置の光学系を示した斜視図である。
【図2】図1の光学系の側面図である。
【図3】本発明の電気的構成を示したブロック図である。
【図4】CCDカメラで撮像した被測定物の像を示す説明図である。
【図5】本発明の他の実施形態に係わる光学系を示した斜視図である。
【図6】本発明の更に他の実施形態に係わる光学系を示した斜視図である。
【図7】本発明の更に他の実施形態に係わる光学系を示した斜視図である。
【図8】従来の2次元測定装置の構成の光学系を示した斜視図である。
【符号の説明】
1 レーザーダイオード
2 コリメートレンズ
3 フォーカスレンズ
3A シリンドリカルレンズ
4 投光ミラー
5 ラインジェネレータ
6 CCDカメラ
7 投光ユニット
8 リニアアクチュエータ
9 ライン光
11 被測定物
20 振動ミラー
Claims (6)
- 被測定物にライン光を照射し光切断法に基づいて該被測定物の3次元情報を測定する3次元測定装置において、
レーザ光源と、
レーザ光源からのレーザ光を平行光束にする手段と、
前記平行光束にされたレーザ光をライン光として被測定物へ投光する投光ユニットと、
前記投光ユニットを平行光束に向かって前後に移動させ前記ライン光を被測定物上で該ライン光の延びる方向と直交方向に移動させる投光ユニット移動手段と、
前記ライン光の移動によって走査される被測定物を投光軸と所定の角度で撮像する撮像手段とを備え、
撮像された被測定物の像から被測定物の3次元情報を取得することを特徴とする3次元測定装置。 - 前記レーザ光源は、投光ユニットの移動に連動してパルス点灯されることを特徴とする請求項1に記載の3次元測定装置。
- 前記投光ユニットがラインジェネレータレンズもしくはシリンドリカルレンズを有し、このラインジェネレータレンズもしくはシリンドリカルレンズによりライン光が形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の3次元測定装置。
- 前記投光ユニットが振動ミラーを有し、この振動ミラーが平行光束を偏向してライン光が形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の3次元測定装置。
- 前記被測定物が、電子部品と配線を導通させるためのクリーム半田が印刷されている基板であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の3次元測定装置。
- 前記平行光束の光軸と撮像手段の受光軸が直交することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の3次元測定装置。
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