JP7424074B2 - 三次元形状計測装置、三次元形状計測方法及びプログラム - Google Patents
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Description
ここでいう「照明手段」は、その手段の本来の用途に関わらず、計測対象を照明する光を照射可能な光源を広く含む。このような構成により、単一の画像から前記計測対象の三次元形状を計測することに比べて、精度良く計測対象の三次元形状を計測することができる。
が照射された際の画像とを取得することにより、前記照明光の照射方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得するものであってもよい。
成されたものであってもよい。
(適用例の構成)
本発明は例えば、図1に示すような三次元形状計測装置に適用することができる。図1は本適用例に係る三次元形状計測装置9の概略構成を概略模式図である。三次元形状計測装置9は、計測対象Oの三次元形状を測定する装置であり、図1に示すように主な構成として照明手段としての照明装置91、撮影手段としてのカメラ92、計測手段としての情報処理装置93(例えばコンピュータ)、を有している。
とも表記する。カメラ92は例えば、光学系とイメージセンサを有して構成される。
AM(Random Access Memory)、不揮発性の記憶装置(例えば、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリなど)、入力装置(例えば、キーボード、マウス、タッチパネルなど)、表示装置(例えば、液晶ディスプレイなど)を備えるコンピュータにより構成することができる。
続いて、情報処理装置93の三次元形状計測に関わる機能を説明する。情報処理装置93は、三次元形状計測に関わる機能モジュールとして、画像取得部931、特徴量抽出部932、特徴量比較部933、合成データ作成部934、三次元形状計測部935、を有している。
を特徴量データa、観測画像bから抽出される特徴量データを特徴量データbとして説明する。
次に、図2を参照して、本適用例における三次元形状計測の手順について説明する。まず、情報処理装置93は照明装置91を制御し、計測対象Oを中心とする円周上の第一の方向から、計測対象Oに対してRGB照明光を照射する(ステップS901)。次に、情報処理装置93は、カメラ92を制御して、第一の方向からRGB照明光が照射されている状態の計測対象Oを撮影し、第1画像を取得する(ステップS902)。
次に、本発明を実施するための形態の他の例である基板検査装置1について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置など
は、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図3を参照して、本発明の実施形態に係る基板検査装置の全体構成について説明する。図3は基板検査装置のハードウェア構成を示す模式図である。この基板検査装置1は、表面実装ラインにおける基板外観検査(例えば、リフロー後のはんだ接合状態の検査など)に利用される。
図4は、情報処理装置13が提供する検査処理に関わる機能モジュールの構成を示すブロック図である。これらの機能モジュールは、情報処理装置13のCPUが補助記憶装置に格納された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、全部又は一部の機能をASICやFPGAなどの回路で構成してもよい。
はんだKHの三次元形状の計測には、いわゆるカラーハイライト方式で得られる画像を利用する。カラーハイライト方式とは、複数の色(即ち、波長)の光を互いに異なる入射角で基板に照射し、はんだ表面にその法線方向に応じた色特徴(即ち、カメラから見て正反射方向にある光源の色)が現れるようにした状態で撮影を行うことにより、はんだ表面の三次元形状を二次元の色相情報として捉える方法である。画像の中から、R、G、Bの光源色が現れている領域のみを抽出して、R、G、Bの各領域の形状、幅、順番に基づいて、はんだ三次元形状を復元することができる。なお、三次元形状の復元には公知の手法を用いることができるため、ここでは詳しい説明を省略する。
一方、拡散物体である部品KBの三次元形状の計測には、位相シフト法を利用する。位相シフト法とは、パターン光を物体表面に投影したときのパターンの歪みを解析することにより物体表面の三次元形状を復元する手法の一つである。具体的には、プロジェクタ112を用いて、所定のパターン(例えば、輝度が正弦波状に変化する縞状パターン)を基板に投影した状態でカメラ110で撮影を行う。そうすると基板Kの表面には、その凹凸に応じたパターンの歪みが現れる(なお、はんだKHの部分では鏡面反射が支配的となるため、パターンはほとんど観測できない。)。この処理を、パターン光の輝度変化の位相を変化させながら複数回繰り返すことで、輝度特徴の異なる複数枚の画像(以下、パターン解析画像いう)が得られる。各画像の同一画素の輝度は縞状パターンの変化と同一の周期で変化するはずであるから、各画素の輝度の変化に対して正弦波を当てはめることで、各画素の位相が分かる。そして、所定の基準位置(テーブル表面、基板表面など)の位相に対する位相差を求めることで、その基準位置からの距離(即ち、高さ)を算出することができる。
次に、図7を用いて、基板検査装置1で行われる検査処理の流れを説明する。図7は、検査処理の流れを示すフローチャートである。
なお、上記実施形態1では、照明装置111は、Z軸を中心とした円環状に形成されていたが、必ずしもこのような構成である必要はない。図8は、本実施形態の変形例に係る計測ユニット21の概略構成を示す説明図である。本変形例に係る計測ユニット21は、照明装置211及び、プロジェクタ212を移動させる手段である移動機構25を備えている。なお、本変形例において、実施形態1と同様の構成については同一の符号を用い、詳細な説明は省略する。
続けて、第2の実施形態について説明する。図9は本実施形態に係る基板検査装置3の概略構成図である。図9に示すように、基板検査装置3は概略、検査ユニット31、制御装置32、情報処理装置33、表示装置34を備えている。基板検査装置3は、実施形態1の基板検査装置1と比べて、カメラの台数と配置位置、及びプロジェクタがない点、に
おいて異なっている。即ち、その他の制御装置32、情報処理装置33、表示装置34の構成については、実施形態1の基板検査装置1と略同様であるため詳細な説明は省略する。
上記各実施形態は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明はその技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例
えば、上記の各実施形態ではカラーハイライト方式で計測対象における傾斜の程度を計測する装置を前提としていたが、傾斜の方向を計測するのには、波長の異なる複数の照明光を照射する必要はない。このため、例えば、計測対象を中心として対向する方向の一方のみから所望の波長の光を照射した画像と、もう一方のみから同様の照明光を照射した画像とを取得して、これらの特徴量を比較することで、計測対象における傾斜の方向を計測することができる。
本発明の一の態様は、計測対象(O)に対して照明光を照射する照明手段(91)と、前記計測対象を撮影する撮影手段(92)と、前記撮影手段によって撮影された画像から得られる前記照明光の反射光の波長の相違に基づいて、前記計測対象の三次元形状を計測する計測手段(93)と、を有する三次元形状計測装置において、前記撮影手段は、前記撮影手段の撮影方向又は前記照明光の照射方向の、前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像であって、前記計測対象の所定の部位における前記反射光の強度又は波長のいずれかを含む反射の態様が異なる、前記複数の画像を取得し、前記計測手段は、前記撮影手段が取得した前記複数の画像に基づいて、前記所定の部位の三次元形状を計測する、ことを特徴とする、三次元形状計測装置である。
複数の画像に基づいて、前記所定の部位の三次元形状を計測する計測ステップ(S907)と、を有する三次元形状の計測方法である。
9・・・三次元形状計測装置
10、30・・・ステージ
11、31・・・検査ユニット
110、310、92・・・カメラ
111、211、311、91・・・照明装置
12、32・・・制御装置
13、33、93・・・情報処理装置
14、34・・・表示装置
25、35・・・移動機構
K・・・基板
O・・・測定対象物
Claims (21)
- 計測対象に対して照明光を照射する照明手段と、
前記計測対象を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段によって撮影された画像から得られる前記照明光の反射光の波長の相違に基づいて、前記計測対象の三次元形状を計測する計測手段と、を有する三次元形状計測装置において、
前記撮影手段は、前記撮影手段の撮影方向又は前記照明光の照射方向の、前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像であって、前記計測対象の所定の部位における前記反射光の強度又は波長のいずれかを含む反射の態様が異なる、前記複数の画像を取得し、
前記計測手段は、前記撮影手段が取得した前記複数の画像に基づいて、前記所定の部位の三次元形状を計測する、
ことを特徴とする、三次元形状計測装置。 - 前記所定の部位とは、前記計測対象において傾斜を含む部位であって、
前記計測手段は、前記反射光の前記反射の態様がそれぞれ異なる複数の画像を構成する各画素における所定の特徴量の各画像間の相違に基づいて、前記所定の部位の傾斜の方向を計測する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の三次元形状計測装置。 - 前記撮影手段は、前記計測対象を中心とする一の円周上の複数の異なる位置から、前記計測対象を撮影することによって、前記撮影方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得する、
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の三次元形状計測装置。 - 前記照明手段が、前記計測対象を中心とする一の円周上の複数の異なる位置から、前記計測対象に対して前記照明光を照射することによって、
前記撮影手段は、前記照明光の照射方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得する、
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の三次元形状計測装置。 - 前記照明手段が、前記計測対象を中心とする円周方向に移動可能に配置されて、前記計測対象を中心とする一の円周上の複数の異なる位置から前記計測対象に対して照明光を照射することによって、
前記撮影手段は、前記照明光の照射方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得する、
ことを特徴とする、請求項4に記載の三次元形状計測装置。 - 前記照明手段は、前記計測対象を中心として円環状に配置され、円環状に配置された前記照明手段を複数に分割して形成される複数の範囲毎に前記照明光の発光強度を調整可能に構成されており、
前記撮影手段は、前記複数の範囲のうち少なくとも一の範囲から前記計測対象に対して前記照明光が照射された際の画像と、前記複数の範囲のうち前記少なくとも一の範囲とは異なる範囲から前記計測対象に対して前記照明光が照射された際の画像とを取得することにより、前記照明光の照射方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得する、
ことを特徴とする、請求項4に記載の三次元形状計測装置。 - 前記計測対象に対して、所定のパターン光を投影する投影手段をさらに有しており、
前記撮影手段は、前記パターン光が投影された前記計測対象のパターン投影画像をさらに取得し、
前記計測手段は、前記計測対象の所定の部位における前記反射光の前記反射の態様が異なる複数の画像及び前記パターン投影画像に基づいて、前記所定の部位の三次元形状を計測する、
ことを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。 - 前記照明手段は、鉛直方向から水平方向の間における複数の異なる角度から、それぞれ異なる波長の照明光を前記計測対象に対して照射し、
前記計測手段は、前記撮影手段が取得した少なくとも一の画像における、前記異なる波長の照明光のそれぞれの反射光の前記反射の態様から、前記所定の部位の傾斜の程度を計測する、
ことを特徴とする、請求項2に記載の三次元形状計測装置。 - 前記撮影手段が取得した前記複数の画像から作成される合成画像を表示する画像表示手段をさらに有しており、
前記合成画像は、少なくとも前記所定の部位における前記傾斜の方向の違いを、異なる色及び/又は模様により表示分けする画像処理が施された画像である、
ことを特徴とする、請求項2に記載の三次元形状計測装置。 - 前記撮影手段が取得した前記複数の画像から作成される合成画像を表示する画像表示手段をさらに有しており、
前記合成画像は、前記所定の部位における前記傾斜の程度及び方向の違いを、異なる色及び/又は模様により表示分けする画像処理が施された画像である、
ことを特徴とする、請求項8に記載の三次元形状計測装置。 - 前記合成画像は、合成の元となる各画像における前記計測対象の同一の箇所を示す画素の所定の特徴量の値を比較し、当該値が最も大きい画像から前記画素を選別して合成されたものである、
ことを特徴とする、請求項9又は10に記載の三次元形状計測装置。 - 計測対象に対して照明光を照射する照射ステップと、
前記照明光の照射方向又は撮影方向の、前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像であって、前記計測対象の所定の部位における前記照明光の反射光の強度又は波長のいずれかを含む反射の態様が異なる前記複数の画像を取得する撮影ステップと、
前記撮影ステップにおいて取得した前記複数の画像に基づいて、前記所定の部位の三次元形状を計測する計測ステップと、
を有する三次元形状計測方法。 - 前記所定の部位とは、前記計測対象において傾斜を含む部位であって、
前記計測ステップでは、前記反射光の前記反射の態様がそれぞれ異なる複数の画像を構成する各画素における所定の特徴量の各画像間の相違に基づいて、前記所定の部位の傾斜の方向を計測する、
ことを特徴とする、請求項12に記載の三次元形状計測方法。 - 前記照射ステップにおいて、前記計測対象を中心とする一の円周上の複数の異なる位置から、前記計測対象に対して前記照明光を照射することによって、
前記撮影ステップにおいて、前記照明光の照射方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得する、
ことを特徴とする、請求項12又は13に記載の三次元形状計測方法。 - 前記撮影ステップにおいて、前記計測対象を中心とする一の円周上の複数の異なる位置から前記計測対象を撮影することによって、前記撮影方向の前記計測対象に対する鉛直軸回りの角度が異なる複数の画像を取得する、
ことを特徴とする、請求項12又は13に記載の三次元形状計測方法。 - 前記計測対象に対して、所定のパターン光を投影する投影ステップ、をさらに有しており、
前記撮影ステップでは、前記パターン光が投影された前記計測対象のパターン投影画像をさらに取得し、
前記計測ステップでは、前記計測対象の所定の部位における前記反射光の前記反射の態様が異なる複数の画像及び前記パターン投影画像に基づいて、前記所定の部位の三次元形状を計測する、
ことを特徴とする、請求項12から15のいずれか一項に記載の三次元形状計測方法。 - 前記照射ステップでは、鉛直方向から水平方向の間における複数の異なる角度から、それぞれ異なる波長の照明光を前記計測対象に対して照射し、
前記計測ステップでは、前記撮影ステップにおいて取得した少なくとも一の画像における、前記異なる波長の照明光のそれぞれの反射光の前記反射の態様から、前記所定の部位の傾斜の程度を計測する、
ことを特徴とする、請求項13に記載の三次元形状計測方法。 - 前記撮影ステップにおいて取得した前記複数の画像を合成して作成される合成画像を表示する、合成画像表示ステップ、をさらに有しており、
前記合成画像は、少なくとも前記所定の部位における前記傾斜の方向の違いを、異なる色及び/又は模様により表示分けする画像処理が施された画像である、
ことを特徴とする、請求項13に記載の三次元形状計測方法。 - 前記撮影ステップにおいて取得した前記複数の画像を合成して作成される合成画像を表示する、合成画像表示ステップ、をさらに有しており、
前記合成画像は、前記所定の部位における前記傾斜の程度及び方向の違いを、異なる色及び/又は模様により表示分けする画像処理が施された画像である、
ことを特徴とする、請求項17に記載の三次元形状計測方法。 - 前記合成画像は、合成の元となる各画像における前記計測対象の同一の箇所を示す画素の所定の特徴量の値を比較し、当該値が最も大きい画像から前記画素を選別して合成されたものである、
ことを特徴とする、請求項18又は19に記載の三次元形状計測方法。 - 請求項12から20のいずれか一項に記載の各ステップを、三次元形状計測装置に実行させるためのプログラム。
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