JP5170154B2 - 形状計測装置およびキャリブレーション方法 - Google Patents
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Description
は設計上の理由などから厳密な線形性を実現することが困難な場合もある。そのような場合には実質的に線形性が実現されていればよい。すなわち、本発明において「発光強度が線形に変化」とは「発光強度が実質的に線形に変化」を含む概念である。
物体を前記基準位置に配置させ、前記照明パタンの光を照射して撮像した画像から表面の傾き毎の特徴量の値を抽出し、前記抽出された表面の傾き毎の特徴量の値から当該基準位置についての前記データを生成する方法である。ここで、「表面の傾きが既知の物体」は、半球体であることが好ましい。1回の撮像で全方向(360度)の法線情報が得られるとともに、球体の方程式から法線ベクトルを簡単に算出できるからである。
、例えば基板外観検査装置(AOIシステム)におけるはんだ付けの良否検査や、金属加工物表面の凹凸検査などに好ましく適用することができる。
図1を参照して、形状計測装置の全体構成について説明する。図1は形状計測装置のハードウェア構成を模式的に示す図である。
照明装置3は、図1に示すようにドーム形状をした面光源であり、このドーム形状の全てが発光領域である。なお、照明装置3の天頂部分にはカメラ1のための開口が設けられている。このような照明装置3は、例えば、ドーム形状のカラーフィルタと、その外部から白色光を照射する光源とから構成することができる。また、例えば、複数のLEDチップをドームの内側に配列させて拡散板を通して光を照射する構成にしても良い。また、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどをドーム形状にして、照明装置3を構成することもできる。
なるスペクトル分布の光を発し、計測対象物4への入射方向が異なれば入射する光のスペクトル分布(RGBの強度比)が異なるように設定できる。なお、発光色は前述の3色だけでなく3色以上の色成分(カラーチャンネル)を用いてもよい。
このように画素の色や明るさは、その点における法線の向きや光源の角度と1対1に対応する。したがって、この形状計測装置では、画素の色や明るさに関する特徴量の値と光源の角度とを対応付けたテーブルを予め作成し、記憶装置62に登録しておく。本実施形態では、照明装置3が、赤色光(R)、緑色光(G)および青色光(B)の3つの成分光を組み合わせた光を投光しているため、特徴量としては、RGB各成分の比を利用する。例えば、RGBの各成分について、最大輝度を1で正規化した上で、(R,G,B)の組み合わせを特徴量とすることができる。また、ある色(ここではG)に対する他の色の比、例えば、R/(R+G),B/(B+G)などを特徴量としても良い。
6(b)はテーブル作成用画像の一例を示す図である。なお図5に示す処理は、情報処理装置6のCPU60が記憶装置62からプログラムを読み込み実行することにより実現されるものである。ただしこれらの機能ブロックの一部または全部をASIC(エーシック)やPLD(プログラマブルロジックデバイス)などで構成してもよい。
次に図7を参照して、形状計測に関わる機能および処理の流れを説明する。図7は形状計測処理の流れを示すフローチャートである。これらの処理も、情報処理装置6のCPU
60が記憶装置62からプログラムを読み込み実行することにより実現されるものであるが、その一部または全部をASIC(エーシック)やPLD(プログラマブルロジックデバイス)などで構成してもよい。
本実施形態の形状計測装置によれば、注目点の位置に応じてテーブルが切り替えられるため、注目点の位置によらず法線算出の誤差を十分小さくすることができる。したがって、従来装置に比べて、計測対象物表面の3次元形状を精度良く求めることが可能となる。逆にいえば、従来と同等の精度を保ったまま、装置の小型化や広視野化を図ることが可能となる。またサブ領域ごとにテーブルを対応付けておき、注目点がどのサブ領域に属するかで参照するテーブルを切り替えるようにしたので、参照すべきテーブルの決定が簡単になり、処理の簡易化および高速化を図ることができる。
化させ、かつ、その変化の度合いを同じにしている。したがって、図9に示すように、任意の天頂角についてその天頂角における全方位角方向からの1色あたりの光強度の総和は各色で同一となる。全天頂角について積分しても各色の光強度の総和は同一である。そのため、拡散物体から鉛直方向に位置するカメラに入射する光のRGBの成分光は全て同じ強度となり、その撮影画像は拡散物体に関しては白色の反射光が撮影されることになる。つまり、撮影対象が、鏡面物体(計測対象物体)と拡散物体の両方から構成される場合に、鏡面物体の表面形状を計測可能であるとともに、拡散物体についてはあたかも白色光が照射されたかのような撮影が可能である。したがって、例えば、はんだ検査を行う際に、はんだ以外の対象(基板、ICなど)については対象色に基づいた検査が実施可能となる。
て線形に変化するように設定している(図2,3参照)。角度(経度)に対して輝度が線形に変化する照明パタンは上記式の近似解の一つである。また、RGBの各成分光のパタンを重ね合わせて得られる照明装置3の照明パタンも上記式の近似解となる。
光源方向から離れるにつれて明るさが暗くなる性質を利用して、物体の面の明るさから形状を求める手法である。これらは、上記鏡面物体での実施例同様、事前に形状既知の教示用物体(多くは球)に計測用照明を投影して撮像した画像から、物体の法線と面の明るさの対応関係を求めておく。鏡面物体と同様に、教示用物体の位置と検査位置が異なることで光源との位置関係が変化すると、明るさと法線の関係は崩れて誤差が発生する。教示用物体の位置と計測位置の距離が離れれば離れるほど誤差が大きくなる点も同じである。従って、拡散面に対しても本発明により複数の視野内の基準位置をもとに位置ごとに対応関係を切り替えて計測することで、画像全体で法線の算出精度の悪化を可及的に小さくすることが可能である。
上記実施形態の説明では、RGBの3色の発光強度が120度ずつ異なる方向に対して角度とともに変化するパタンを重ね合わせた照明装置を利用しているが、照明パタンはこれに限られるものではない。例えば、図13(a)に示すように3色がそれぞれ下方向、右方向、左方向に変化するパタンのように、それぞれが異なる方向に対して変化するパタンを組み合わせたものを利用しても良い。また、3色全てを角度ともに変化させる必要はなく、図13(b)に示すように1色については全面で均一の輝度で発光し、その他の2色については異なる方向に角度とともに変化するようなパタンを採用しても良い。
タンを切り替えながら撮影する場合は、図13(c)に示すように、発光強度分布が互いに異なる複数のモノクロ照明パタンを用いることもできる(この場合はカメラもモノクロでよい)。
本発明は、上記実施形態の形状計測装置に限られず、画像の特徴量(色や明るさ)と法線(もしくは光源の角度)とを対応付けたテーブルを利用するものであれば、いかなる方式の形状計測装置にも好ましく適用可能である。
Claims (7)
- ステージ上に配置された計測対象物を撮像する撮像手段と、
前記計測対象物へ入射する光の色または明るさが入射方向毎に異なるように設定された照明パタンの光を照射する照明手段と、
前記照明手段から光を照射した状態で前記撮像手段による撮像を行うことにより得られた画像から、前記計測対象物の表面上の複数の注目点について色または明るさに関する特徴量を算出する特徴量算出手段と、
特徴量の値を表面の法線の向きを特定するための情報へ変換するためのテーブルまたは変換式のデータを予め記憶している記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されているデータを参照することにより、前記特徴量算出手段で算出された特徴量の値から前記複数の注目点における法線の向きを算出し、その算出結果から前記計測対象物の表面の3次元形状を算出する形状算出手段と、
を有する形状計測装置において、
前記記憶手段は、前記撮像手段の視野内に設定された複数の基準位置のそれぞれについて作成された、複数のデータを記憶しており、
前記形状算出手段は、注目点の位置に応じて、参照するデータを切り替える
ことを特徴とする形状計測装置。 - 各々が前記基準位置を含むように前記撮像手段の視野が複数のサブ領域に分割され、かつ、サブ領域ごとにデータが対応付けられており、
前記形状算出手段は、注目点が属するサブ領域に対応するデータを、参照するデータとして選択する
ことを特徴とする請求項1に記載の形状計測装置。 - 前記複数のデータのそれぞれは、
表面形状が既知の教示用物体を前記基準位置に配置して、前記照明手段から光を照射した状態で前記撮像手段による撮像を行うことにより得られた前記教示用物体の画像を用いて作成されるものである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の形状計測装置。 - 前記照明手段は、所定の広さの発光領域を有する面光源であり、前記発光領域内の各位置から照射される光のスペクトル分布が互いに異なっている
ことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の形状計測装置。 - 前記照明手段は、互いに異なる発光強度分布をもつ複数の照明パタンを重ね合わせた光を照射し、または、前記複数の照明パタンを順次照射する面光源であり、
各照明パタンの発光強度分布は、前記計測対象物が配置される点を通る前記ステージに平行な所定の直線を中心軸として、前記中心軸周りの角度に対し発光強度が線形に変化するように設定されている
ことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の形状計測装置。 - 請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の形状計測装置のキャリブレーション方法であって、
表面の傾きが既知の物体を前記基準位置に配置させ、前記照明パタンの光を照射して撮像した画像から表面の傾き毎の特徴量の値を抽出し、前記抽出された表面の傾き毎の特徴量の値から当該基準位置についての前記データを生成する
ことを特徴とするキャリブレーション方法。 - 前記表面の傾きが既知の物体は、半球であることを特徴とする請求項6に記載のキャリブレーション方法。
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