JPH0861930A

JPH0861930A - 形状計測装置、検査装置、及び製品の製造方法

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Publication number: JPH0861930A
Application number: JP19560494A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Kobayashi; 茂樹小林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 1996-03-08
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JP3553652B2

Abstract

(57)【要約】【目的】未知の対象の三次元形状計測を可能とする形
状計測装置の提供。【構成】入力ユニット１１から入力する指令により、
カラー画像表示装置である投光装置３に選択された三次
元計測法の計測用カラーパタンを表示し、この計測用カ
ラーパタンをＸ−Ｙステージ２上の計測対象１に投光
し、その計測対象１をカラーカメラ４で撮像し、対象１
の表面法線ベクトルの天頂角成分ベクトル、方位角成分
ベクトルをセンシングし、これらから対象１の形状計測
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の三次元形状を計
測する計測方法を採用する形状計測装置、及び三次元計
測データを利用して製品を検査する検査装置、及び製品
製造ライン中の半製品を検査し、不良品を修理修正する
場合に利用される製品製造方法に関するものであり、特
に、自動化検査のための三次元形状情報獲得技術の中で
も特に形状が未知で、非完全拡散反射表面（非ランバー
ト面：後述）を有する対象に適用される検査装置、及び
これらの検査装置を利用した製品製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から物体の三次元形状を計測した
り、その計測データを用いて自動化検査を行ったりする
必要性は多くの産業分野において発生している。これら
の場合は、三次元計測方法から見て、既知形状の対象の
発見、同定、選別を目的とする場合と、対象の形状が未
知で、その形状を自動的に知ろうとする場合とに大別さ
れる。後者の場合は、前者に比して数段困難な場合が多
く、現在の三次元画像計測技術を以ってしても、必ずし
も満足すべき成果が収められるとは限らない。対象の形
状が未知の場合には、通常用いられる代表的三次元形状
計測法である受動的センシング法の一種、両眼視三角測
量法の適用が不可能であるために、能動的センシング法
を採用するが、この方法にも限界及び短所がある。

【０００３】能動的センシング法は既知のパタンを有す
る構造化光（Structured light）を対象に投光し、対象
表面に当たった光の構造が対象の形状に従って歪むの
で、その歪み方を画像検出して対象の形状を三角測量法
の逆問題解として算出する方法として知られている。例
えば、光源からの光束を一定の形態を成す単数や複数の
スリットを通過させることによりパタン光とし、これを
対象に投光する方法がある（井口征士・佐藤宏介著「三
次元画像計測」、昭晃堂、１９９０年、２章参照）。こ
れらの従来法は、直進光束を構成するパタンを完全拡散
反射表面即ち、ランパート面（Lambertian surface）の
対象に投光すること、及び対象に対して一定の角度に配
置された撮像装置が対象形状により、歪みを受けた変形
投光パタンを撮像することをその基本原理としている。

【０００４】ところが、本発明の課題は未知形状の計測
であり、対象の代表的表面形状を自由曲面体とすると、
前述のパタン光の計測限界は生成されたパタンの精細度
に依存するので、それよりも急峻な、あるいは細い表面
変化を有する自由曲面は計測対象範囲から外されること
になる。また、多くの物体表面は完全なランバート面で
はなく、多少のハイライト部を伴うものなので、これが
投光パタン検出の障害となり、計測に良好な結果が得ら
れないこともしばしば生起する。

【０００５】このような構造化光を用いる三角測量法は
基本原理として距離計測法であるが、これに対して対象
表面の非ランバート性を利用する表面角度センシング法
がある。その計測原理は、光源と受光センサと対象を一
定の幾何光学的位置関係（ジオメトリ）に設定すること
によって、対象表面からの正反射成分を検出し、未知形
状の表面法線ベクトルを計測するものである。例えば、
Arthur C.Sanderson et al. は、その論文（“Structur
ed highight inspection of specular surfaces ”,IEE
E Transactions on Pattern Analysis and Machine Int
elligence, Volume 10,Number 1,pages 46-51,1988）に
おいて、半球構造体の内側に光ファイバで誘導した多数
の点光源を配置し、上方よりそれぞれの照射角度を以っ
て対象に投光し、その真上に設置したカメラで正反射光
を撮像する計測方法を発表している。対象の表面法線ベ
クトルのモデルはガウス球なので、光源の概念構成は図
２４に示したようになる。このような表面法線ベクトル
の直接的センシング法は絶対値計測法ではないので、別
途基準位置を計測する付帯条件を必要とするが、急峻な
面や微細な部分の面素の表面角度の検出も可能な実用性
の高い方法である。

【０００６】しかし、彼等の装置は、その後の論文（Sh
ree K.Nayar et al., “Specular surface inspection
using structured highlight and Gaussian Images
”,IEEE Transactions on Robotics and Automation,V
olume 6,Number 2,page 214,1990 ）によると、１２７
個の点光源を直列時分割的に点灯していくと、１回の計
測のための各画像フレームの取込みに７．６２秒も要し
てしまい、とても実用的とは言えない。そこで、彼等
は、７光源ずつの組合わせ点灯により、７画像フレーム
取込みで課題を解決したと報告しているが、複数光源の
同時点灯によるセンシングの信頼性は、特に未知の自由
曲面体においては、顕著に低下してしまう。例えば、対
象が波形状表面をなしていると不都合が生じる。それ
は、１光源に対応して正反射をする箇所は１箇所ではな
いからで、複数個光源を点灯すると、表面ハイライト反
射点がどの光源に対応しているのか判別不能となる。即
ち、彼等の解決法は単調凹面あるいは単調凸面の対象に
しか適用できないのである。このように能動的三次元計
測法の最近の成果である表面角度センシング法も実用化
には未だ一歩届かない状況にある。彼等の方法は、対象
表面の各法線ベクトルＮを投光撮像ジオメトリの逆問題
解として、その天頂角成分ベクトルθ＝ａｒｃｃｏｓ
（Ｎｚ）と、その方位角成分ベクトルφ＝ａｒｃｔａｎ
（Ｎｙ／Ｎｘ）、（ここでｘ、ｙ、ｚは三次元直交座標
軸）を几帳面に計測しようとする方法である。

【０００７】これに対し、この方法の長所を生かした上
で、実用性を発揮しようとした検査装置も発表されてい
る。例えば、はんだ付接合部のはんだ形状情報をセンシ
ングするために方位角成分検出を断念し、円環状の光源
を異なる高さから（即ち対象への異なる入射天頂角）の
照明によって、表面法線ベクトルの中の天頂角成分だけ
を検出する装置である。この場合は、フレーム画像取込
み回数も前述の全方向全時分割法に比して、遙かに少数
で済み、演算プロセスもずっと簡単なので、検査速度の
向上が実現できている。しかし、これは飽くまでも実用
性を最優先するための簡略法であり、真の意味での三次
元形状情報は得られていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】未知の対象の三次元形
状計測法を実用化するためには能動的センシング法の中
でも、表面角度センシング法が理論上適合している。し
かし、この方法は前述したような“画像取込み時間浪費
型”であるために実用化には程遠い。また、計測目的や
対象の特性から必ずしも常に全方向センシングを必要と
するわけではないので、方法上何等かの省略を加え、実
用化を計ると投光撮像ジオメトリが固定化されるため、
そのジオメトリで検出できる範囲も固定されてしまい、
計測装置としての適用範囲が限定される。その典型的な
例が上述の天頂角ベクトルのみをセンシングする検査装
置である。この例は方位角成分センシングを放棄したた
めに、計測データから対象の三次元形状を再構成するこ
とが出来ない。そこで、この表面角度センシング法の全
方向センシングを省略を加えずに実行し、また省略が可
能な場合には、自在に省略した計測法を適用出来る計測
装置の実現こそ、本発明が解決しようとする課題であ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】上述の課題を解
決するために、本発明は表面角度センシング法の投光撮
像ジオメトリ機能が固定化されたハードウェア依存型の
せいで実用化を阻害されていると考え、これをソフトウ
ェア型機能とすることによって実用化ボトルネックを排
除する提案を行っている。そのための手段としては、投
光手段にカラー画像表示装置を用いた上、投光撮像方式
規定手段からの指令によって必要なカラー画像パタンを
自在に画面上に生成し、その構造化光束を対象に投光
し、カラー撮像することによって表面形状情報として必
要な情報を省略化することなく獲得する形状計測方法を
提案している。この提案により、表面角度のカラー分割
センシング法と時分割センシング法を容易に組合わせる
ことが出来るようになったので、特に天頂角成分ベクト
ルセンシング位相と方位角成分ベクトルセンシング位相
に、それぞれの計測用画像パタンを投光装置の画面に表
示し投光することで、従来、最大の難問題であった表面
法線ベクトルの完全計測を実用条件の中で達成してい
る。また、本発明になる形状計測装置に品質良否判定プ
ログラムを付加することで、実用性のある検査装置の実
現を提案している。更に、本発明に係る自動検査を実施
しつつ不良品を修理修正することにより、半製品を完成
品とする製造方法をも提案している。

【００１０】特許請求範囲の請求項１に係る形状計測装
置は、三次元形状計測装置であって、カラー画像表示装
置であり、所定の投光方式に従って、カラーパタンを表
示して発生する光束を計測対象に投光する投光手段と、
この投光手段とは、前記計測対象に対して三次元形状計
測を可能とする幾何光学的空間位置関係に設置され、前
記光束を受けた計測対象を撮像して画像信号を出力する
撮像手段と、適用した三次元計測方式に準じて、前記投
光手段の投光方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る
計測方式を規定する計測方式規定手段と、前記撮像手段
からの画像信号を受けて前記計測方式に対応するプログ
ラムを用いて、三次元形状計測演算をなす演算手段と、
を備えている。

【００１１】この形状計測装置は、能動的三次元情報セ
ンシングにおける投光光束構造をソフトウェア指示によ
り、画像表示装置の画面上のカラーパタンとして描出
し、自在に投光パタンを生成して目的に応じた三次元形
状計測を実行出来るようにしている。即ち、計測対象と
投光手段と撮像手段が一定の幾何光学的配置に固定化さ
れた計測装置において、投光手段がカラー画像表示装置
であり、採用した三次元計測方法に従って、その画面上
にカラーパタンを表示し、その光束の投光を受けた計測
対象を撮像装置が撮像して出力した画像信号から採用し
た三次元計測方法に応じて、演算手段が三次元形状計測
演算を実施し、計測対象の三次元形状を算出する形状計
測装置であり、目的に応じて三次元形状計測投光手段と
撮像手段の投光撮像方式を規定することが出来る。

【００１２】請求項２に係る形状計測装置は、請求項１
に記載のものにおいて、メモリ手段を具備し、前記投光
手段は投光方式に従い相互に異なる複数のパタンを時分
割的に表示して発生する光束を計測対象に投光し、前記
撮像手段は前記光束を受けた計測対象を撮像方式に従っ
て投光と同期して時分割的に撮像し、複数組の画像信号
を出力して、前記メモリ手段に貯蔵し、前記演算手段は
貯蔵された前記画像信号を併用して三次元形状計測演算
を行うものである。

【００１３】この形状計測装置は、投光手段と撮像手段
が複数の位相において画像センシング出来、かつ各位相
における投光パタンが異なるようになしているので、そ
れらの画像データをメモリして計測演算すれば、最少回
数の撮像によって対象の十分な三次元データが得られ
る。請求項３に係る形状計測装置は、請求項２に記載の
ものにおいて、投光手段及び撮像手段が、１回の計測当
たり各２位相の投光及び撮像を行い、前記投光手段は、
第一位相においては表面法線ベクトル天頂角成分センシ
ング・パタンを表示して発生する光束を対象に投光し、
第二位相においては表面法線ベクトル方位角成分センシ
ング・パタンを表示して発生する光束を対象に投光し、
前記撮像手段は前記光束を受けた計測対象を投光と同期
して撮像し、２組の画像信号を出力して前記メモリ手段
に貯蔵し、前記演算手段は貯蔵された前記画像信号を併
用して前記対象の表面法線ベクトルを算出するようにし
ている。

【００１４】この形状計測装置は、表面法線ベクトルの
うちの天頂角成分ベクトル計測のためのパタン光を投光
して撮像する位相と、同じく方位角成分ベクトル計測の
ためのパタン光を投光して撮像する別位相とを用意した
ので、両位相の画像データをメモリして三次元形状計測
演算に利用し、最短時間で対象の表面法線ベクトルが算
出出来る。

【００１５】請求項４に係る形状計測装置は、請求項
１、請求項２あるいは請求項３に記載のものにおいて、
投光手段は、計測対象を原点とする幾何光学空間座標に
位置付けた仮想ガウス球表面上の緯度線あるいは経度線
もしくは緯度上のエリアあるいは経度上のエリアを中心
射影法あるいはその他の球体投影法に基づいて、前記投
光手段画面上に描出することによって計測対象の表面法
線ベクトルセンシング・パタンとしている。

【００１６】この形状計測装置は、投光手段の画面上に
表示するパタンの描出方法に関し、このパタンは、計測
対象を原点とする空間座標に仮想的に位置するガウス球
表面上の緯度線あるいは経度線もしくは緯度上のエリア
あるいは経度上のエリアを画面上に中心射影法あるいは
その他の投影法により描いたパタンである。請求項５に
係る形状計測装置は、請求項１に記載のものにおいて、
撮像手段が、前記計測方式規定手段からの撮像角度指示
信号あるいは撮像倍率指示信号に従って、撮像角度ある
いは撮像倍率の変更が可能である。

【００１７】この形状計測装置では、撮像角度指示信号
あるいは撮像倍率指示信号によって撮像角度、あるいは
撮像倍率の変換を指示することができる。請求項６に係
る検査装置は、三次元形状計測方法採用の検査装置であ
って、カラー画像表示装置であり、所定の投光方式に従
って、カラーパタンを表示して発生する光束を検査対象
に投光する投光手段と、この投光手段とは、前記検査対
象に対して三次元形状計測を可能とする幾何光学的空間
位置関係に設置され、前記光束を受けた検査対象を撮像
して画像信号を出力する撮像手段と、適用した三次元計
測方式に準じて、前記投光手段の投光方式及び前記撮像
手段の撮像方式から成る計測方式を規定する計測方式規
定手段と、前記撮像手段からの画像信号を受けて前記計
測方式に対応するプログラムを用いて、三次元形状計測
演算をなす演算手段と、前記演算手段の三次元計測演算
データを用いて検査対象の品質良否判定を行う判定手段
とを備えている。

【００１８】この検査装置は、品質良否判定プログラム
を備え、計測された対象の三次元形状データを用いて対
象品質の良否判定を行う。請求項７に係る検査装置は、
検査対象を撮像し、その画像を目視観測に供する検査装
置であって、投光手段は画像表示装置であり、投光方式
規定手段からの規定信号に従って目視検査に好適な画像
の生成に必要な光源としての白色エリアをその画像上に
表示して発生する光束を前記検査対象に投光し、撮像手
段が前記光束を受けた検査対象を撮像し、その画像を表
示手段が表示する。

【００１９】この検査装置は、画像表示装置を投光手段
とし、その画面上に検査対象の目視検査に好適な画像を
生成するのに必要な白色エリアを表示して検査対象を照
明し、撮像手段が撮像して画像表示する。請求項８に係
る検査装置は、三次元形状計測方法採用の検査装置であ
って、カラー画像表示装置であり、所定の投光方式に従
って、カラーパタンを表示して発生する光束を検査対象
に投光する投光手段と、この投光手段とは、前記検査対
象に対して三次元形状計測を可能とする幾何光学的空間
位置関係に設置され、前記光束を受けた検査対象を撮像
して画像信号を出力する撮像手段と、適用した三次元計
測方式に準じて、前記投光手段の投光方式及び前記撮像
手段の撮像方式から成る計測方式を規定する計測方式規
定手段と、前記撮像手段からの画像信号を受けて前記計
測方式に対応するプログラムを用いて、三次元形状計測
演算をなす演算手段と、前記演算手段の三次元計測演算
データを用いて検査対象の品質良否判定を行う判定手段
と、第１検査位相において自動検査され、不良判定され
た検査対象を同定するデータ（ＩＤデータ）を記憶する
記憶手段と、第２検査位相において前記同定データを用
いて選択され、前記撮像手段によって撮像された前記不
良判定対象の画像を、不良判定の目視再検査に供するた
め表示する表示手段とを備えたものである。

【００２０】この検査装置は、自動検査位相で不良判定
した検査対象の同定（ＩＤ）データをメモリし、その同
定（ＩＤ）データを用いて、対象の自動検査が完了した
後に自動検査不良判定対象を撮像してその画像を表示
し、目視による再検査に提供する。請求項９に係る製品
製造方法は、検査対象の形状を検査し、不良判定された
対象に修理修正を施すことによって、半製品から完成品
を製造する方法であって、製品製造ライン内に、三次元
形状計測装置であって、カラー画像表示装置であり、所
定の投光方式に従って、カラーパタンを表示して発生す
る光束を検査対象に投光する投光手段と、この投光手段
とは、前記検査対象に対して三次元形状計測を可能とす
る幾何光学的空間位置関係に設置され、前記光束を受け
た検査対象を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、
適用した三次元計測方式に準じて、前記投光手段の投光
方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る計測方式を規
定する計測方式規定手段と、前記撮像手段からの画像信
号を受けて前記計測方式に対応するプログラムを用い
て、三次元形状計測演算をなす演算手段とを備える検査
装置を設置し、この検査装置により、半製品の品質の良
否判定を行い、不良判定された箇所の修理修正を行い、
半製品を完成する。

【００２１】請求項１０に係る製品製造方法は、検査対
象の形状を検査し、不良判定された検査対象に修理修正
を施すことによって、半製品から完成品を製造する方法
であって、製造ライン内に、検査対象を撮像し、その画
像を目視観測に供する検査装置であって、投光手段は画
像表示装置であり、投光方式規定手段からの規定信号に
従って目視検査に好適な画像の生成に必要な光源として
の白色エリアをその画像上に表示して発生する光束を前
記対象に投光し、撮像手段が前記光束を受けた検査対象
を撮像し、その画像を表示手段が表示する検査装置を設
置し、この検査装置により半製品の品質の良否判定を行
い、不良判定された箇所の修理修正を行い、半製品を完
成することを特徴とする製品製造方法。

【００２２】請求項１１に係る製品製造方法は、検査対
象の形状を検査し、不良判定された検査対象に修理修正
を施すことによって、半製品から完成品を製造する方法
であって、製品製造ライン内に、三次元形状計測方法採
用の検査装置であって、カラー画像表示装置であり、所
定の投光方式に従って、カラーパタンを表示して発生す
る光束を検査対象に投光する投光手段と、この投光手段
とは、前記検査対象に対して三次元形状計測を可能とす
る幾何光学的空間位置関係に設置され、前記光束を受け
た検査対象を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、
適用した三次元計測方式に準じて、前記投光手段の投光
方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る計測方式を規
定する計測方式規定手段と、前記撮像手段からの画像信
号を受けて前記計測方式に対応するプログラムを用い
て、三次元形状計測演算をなす演算手段と、前記演算手
段の三次元計測演算データを用いて検査対象の品質良否
判定を行う判定手段と、第１検査位相において自動検査
され、不良判定された検査対象を同定するデータ（ＩＤ
データ）を記憶する記憶手段と、第２検査位相において
前記同定データを用いて選択され、前記撮像手段によっ
て撮像された前記不良判定対象の画像を、不良判定の目
視再検査に供するため表示する表示手段とを備えた検査
装置を設置し、この検査装置により、半製品の品質の良
否判定を行い、不良判定された箇所の品質の修理修正を
行い、半製品を完成する。

【００２３】

【実施例】以下、実施例により、この発明をさらに詳細
に説明する。図１は、本発明を具体化した第１実施例の
形状計測装置の構成を示す図である。この形状計測装置
の投光ユニット３は二次元カラー画像表示装置であり、
この実施例では、カラーＬＣＤ（液晶）表示装置である
が、勿論カラーＣＲＴ（陰極線管）でも、また可変色Ｅ
Ｌ（エレクトロルミネッセンス）板や投影映写（プロジ
ェクション）システム等、入力信号に従ってカラー画像
を表示しうる装置であれば、いずれも適用可能である。

【００２４】計測対象の計測目的に応じて入力ユニット
１１から入力された指示信号により、選択した能動法三
次元計測法に従って投光撮像制御ユニット６は投光制御
指令を投光ユニット３に伝達し、投光ユニット３はその
表示画面上に指令された三次元計測用カラーパタンを表
示する。同時に投光撮像制御ユニット６は撮像方式指令
をカラーカメラを備えた撮像装置４に伝達し、更に撮像
角度及び撮像倍率を設定する。この実施例では、先ず図
５の天頂角用中心射影カラーパタンを投光ユニット３の
画面上に表示し、その投光によって計測対象１の表面法
線ベクトルの天頂角成分ベクトルをセンシングの上計測
し、次に図６の方位角用中心射影カラーパタンを投光ユ
ニット３の画面上に表示し、その投光によって対象１の
表面法線ベクトルの方位角成分ベクトルをセンシングの
上計測する。撮像された対象１の各表面面素の法線ベク
トルを規定する成分である天頂角ベクトルと方位角ベク
トルは上述の２回の計測によって得られるので、対象１
の三次元表面形状の計測が達成される。以下にその計
測原理を説明する。図２３は図１に示された投光装置
Ｌ、撮像装置Ｖ、及び原点に置かれた対象表面の法線ベ
クトルＮの幾何光学的位置関係を極座標表示したもので
ある。また、演算式（１）、（２）、（３）は、その三
次元直交座標表示を示す。ここで非ランバート面の正反
射性は拘束条件であって、Ｎθ＝（Ｌθ−Ｖθ）／２、
Ｎφ＝Ｌφ＝Ｖφ、Ｖｘ＝ＶｒｓｉｎＶθｃｏｓＬφ、
Ｖｙ＝ＶｒｓｉｎＶθｓｉｎＬφ、Ｖｚ＝ＶｒｃｏｓＶ
θであるので、投光装置と撮像装置の位置関係で方位角
ベクトルＮφがＬとＶの作る平面に有り、かつ天頂角ベ
クトルＮθがＬθとＶθと成す角の１／２である対象面
素だけが撮像装置へ反射光束を投射する。そこで、逆算
すれば、その画素に相当する面素の反射光がセンシング
出来、その値から法線ベクトルが算出できる。この時、
Ｌが入射光束としての拡がりと構造を持ったカラーパタ
ンであれば、撮像されるカラー画像は測定系空間におけ
るパタン微小部分の幾何光学的位置と対象表面角度に対
応して“対象のカラー角度画像”となる。

【００２５】また図２に示すように、撮像装置４をｚ軸
上に配置すると、Ｖθ＝０、Ｖｘ＝Ｖｙ＝０、Ｖｚ＝Ｖ
ｒであり、正反射性との複合光束条件は、Ｎθ＝Ｌθ／
２、Ｎφ＝Ｌφ＝Ｖφ、Ｖｚ＝Ｖｒ、Ｖｘ＝Ｖｙ＝０と
なり、逆問題解を得るための演算が著しく簡略化出来
る。逆に、例えば図３に示すように投光装置３をｚ軸上
に、また撮像装置４を＋ｘ軸に配置すると、演算式
（１）は、Ｌｘ＝ＬｒｓｉｎＬθ、Ｌｙ＝０、Ｌｚ＝Ｌ
ｒｃｏｓＬθ、演算式（２）は、Ｖｘ＝ＶｒｓｉｎＶ
θ、Ｙｙ＝０、Ｖｚ＝ＶｒｃｏｓＶθ、演算式（３）
は、Ｎθ＝ａｒｃｃｏｓ（Ｎｚ）、Ｎφ＝０となる。正
反射性との複合光束条件はＮθ＝（Ｌθ−Ｖθ）／２で
逆問題解を得る。これらの関係は撮像装置４を±ｘ軸、
あるいは±ｙ軸のいずれかにセットした場合も、φ＝ｎ
π／２（ｎ＝０、１、２、３）を与えれば同様の結果が
得られる。また、撮像装置４が任意のφ値である場合
は、図２３の３演算式と正反射性との複合光束条件によ
り、幾何光学的関係が算出出来る。

【００２６】次に、投光装置３の画面上に生成するカラ
ーパタンの形状について説明する。パタンは天頂角につ
いては図２１のように水平カラーバーを、また方位角に
ついては図２２のように垂直カラーバーをそれぞれ使用
しても良いが、投光装置３の画面が平面状であるために
パタン中心から左右両端、または上下両端に向かって離
れるに従って幾何光学的誤差が大となっていく。原点に
位置する対象表面形状の法線ベクトルモデルはガウス球
であるので、対象から投光装置画面への再短距離を半径
とするガウス球面の投光装置画面上への中心射影が理論
上の正確な表面角度ベクトル検出用投光パタンに相当す
ることになる（図７参照）。そこで、図２に示される投
光撮像ジオメトリに関しては、図５、図６に示すような
形態のパタンを画面上に表示して、これを投光すれば、
精確な三次元計測が実現される。図５、図６のパタンは
図７の演算式（４）を用いて画面上に描くことが出来
る。また、図３、図４に示される投光撮像ジオメトリに
関しては図７の演算式（６）、（５）をそれぞれ適用す
ることによって、同様に計測の目的に適合する投光パタ
ンを画面上に描くことが出来る。実用的な計測装置ある
いは検査装置においては、以上述べたような厳密なパタ
ンでなくとも差支えないケースも有り、それらでは中心
射影以外の投射投影法や円錐投影法や円筒投影法を準用
しても良い。

【００２７】計測対象１に当たった光束は反射光となっ
て撮像装置４に入射する。前述のように、一般に殆どの
物体表面は散乱反射と鏡面反射の両者の性質をその物体
表面固有の比率で有する「非ランバート面」をなし、本
発明はその鏡面反射成分即ち正反射成分を利用してい
る。対象１に対して撮像装置４を一定の方位角及び天頂
角に設置し、投光ユニット３が図５の天頂角用中心射影
カラーパタンを光束として投光すると、各カラーパタン
はそれぞれの入射天頂角を以って対象に投射され、対象
表面からの正反射光成分はその面素の法線ベクトルの天
頂角成分に従って正反射し、撮像装置４が天頂角ベクト
ルに応じたカラー画像として撮像し、その画像データは
画像入力処理演算ユニット７が内蔵するメモリフレーム
（図示せず）に取り込まれ、画素入力レベルの基準化等
の基本的演算を施された後、ＣＰＵ９によって各カラー
宛逆問題解として対象各面素毎の天頂角ベクトルが算出
される。この各面素毎の天頂角データは、メモリ１０に
貯蔵される。次に投光ユニット３の画面上に図６の方位
角用カラーパタンを表示し、これを投光すると同様にし
て正反射の原理に従って対象表面からの反射光成分は撮
像装置４によって表面方位角ベクトル対応カラー画像と
して撮像され、画像入力処理演算ユニット７が内蔵する
メモリフレームに取り込まれ、入力レベルの基準化等の
基本的演算が施された後、ＣＰＵ９によって各カラー宛
逆問題解として対象各面素毎の方位角ベクトルが算出さ
れ、メモリ１０に貯蔵される。

【００２８】最後に、このようにしてメモリされた各面
素の表面天頂角ベクトルと表面方位角ベクトルのデータ
は併せてＣＰＵ９において各面素の法線ベクトル算出に
使用され、計測対象１の形状計測が完結する。計測結果
データは、表示ユニット１３に表示するか、あるいは出
力ユニット１２から出力する。なお、図１中のシステム
制御ユニット８はこの形状計測装置の全システム動作を
制御するユニットであり、１４はバスである。

【００２９】第１実施例による計測全体の動作順序を図
８のフローチャートに示す。先ず、図１の計測対象をス
テージ２にセットすると（ＳＴ１）、計測シーケンスに
従ってシステム制御ユニット８の制御信号を受けて投光
撮像制御ユニット６が投光装置３の画面にメモリ１０に
メモリされているプログラムに従って、天頂角計測用カ
ラーパタンを表示する（ＳＴ２）。表示されたパタンが
発する光束を受けた対象を撮像装置４のカラーカメラが
撮像する（ＳＴ３）。そこで、撮像装置４はこれを画像
信号に変換して画像入力処理演算ユニット７へ出力す
る。画像処理演算ユニット７はこの画像信号に基準化演
算等の基本的演算を施した後、内蔵するフレームメモリ
（図示せず）にメモリする。ＣＰＵ９はこのデータから
各面素の天頂角成分ベクトルを算出して（ＳＴ４）、デ
ータをメモリ１０に貯蔵する（ＳＴ５）。

【００３０】次に、計測シーケンスに従ってシステム制
御ユニット８の制御信号を受けて投光撮像制御ユニット
６が投光装置３の画面にメモリ１０にメモリされている
プログラムに従って方位角計測用カラーパタンを表示す
る（ＳＴ６）。表示されたパタンの光束を受けた対象を
撮像装置４のカラーカメラが撮像する（ＳＴ７）。そこ
で、撮像装置４はこれを画像信号に変換して画像入力処
理演算ユニット７へ出力する。画像処理演算ユニット７
は、この画像信号に基準化演算等の基本的演算を施した
後、内蔵するフレームメモリにメモリする。ＣＰＵ９は
このデータから各面素の方位角成分ベクトルを算出して
（ＳＴ８）、データをメモリ１０に貯蔵する（ＳＴ
９）。次に以上によりメモリ１０に貯蔵された天頂角・
方位角両成分データを用いてＣＰＵ９が三次元計測演算
により対象各面素の法線ベクトルを算出し（ＳＴ１
０）、計測結果を表示ユニット１３に表示するか、ある
いは出力ユニット１２から出力して計測を完了する。次
に、本発明を具体化した第２実施例を説明する。第２実
施例の構成図は、第１実施例と同様であり、図１の通り
である。しかし、第２実施例は時分割投光法に依拠して
おり、カラー分割投光法の第１実施例とは異なる。即
ち、投光ユニット３は位相Ｔｉ（ｉ＝１、２、…、ｍ）
では天頂角検出用の単色パタン画像を表示し、次に位相
Ｔｊ（ｊ＝１、２、…、ｎ）では方位角検出用の単色パ
タン画像を表示すること、及び撮像装置４がそれぞれの
位相において、各パタン表示に対応してｍ回及びｎ回の
撮像を行う点で第１実施例と異なっている。そのため
に、撮像装置４はモノクロカメラでも良い（勿論、第１
実施例のカラーカメラであっても良い）。

【００３１】先ず、投光ユニット３の画面上に図９の天
頂角用単色パタンを表示し、これを位相Ｔｉ（ｉ＝１、
２、…、ｍ：図９ではｍ＝６）において順次投光する
と、各パタンはそれぞれの入射天頂角を以って対象に投
射され、対象表面からの正反射光成分はその面素の法線
ベクトルの天頂角成分に従って正反射し、撮像装置４が
天頂角ベクトルに応じた画像としてＴｉのタイミングで
計ｍ回撮像し、そのｍ枚の画像データは画像入力処理演
算ユニット７が内蔵するメモリフレームに取込まれ、画
素入力レベルの基準化等の基本的演算を施された後、Ｃ
ＰＵ９によって各位相画像データ宛逆問題解として対象
各面素毎の天頂角ベクトルが算出される。この各面素毎
の天頂角データはメモリ１０に貯蔵される。

【００３２】次に、投光ユニット３の画面上に図１０の
方位角用単色パタンを表示し、これを位相Ｔｊ（ｊ＝
１、２、…ｎ：図１０ではｎ＝６）おいて順次投光する
と各パタンはそれぞれの入射方位角を以って対象に投射
され、対象表面からの正反射光成分は、その面素の法線
ベクトルの方位角成分に従って正反射し、撮像装置４が
表面法線ベクトルを構成する方位角ベクトルに応じた画
像としてＴｊのタイミングで計ｎ回撮像し、そのｎ枚の
画像データは画像入力処理演算ユニット７が内蔵するメ
モリフレームに取込まれ、画素入力レベルの基準化等の
基本的演算を施された後、ＣＰＵ９によって各位相画像
データ宛逆問題解として対象各面素毎の方位角ベクトル
が算出される。この各面素毎の方位角データはメモリ１
０に貯蔵される。

【００３３】最後に、このようにしてメモリされた各面
素の表面天頂角ベクトルと表面方位角ベクトルのデータ
は併せてＣＰＵ９において各面素の法線ベクトル算出に
使用され、計測対象１の形状計測が完結する。計測結果
データは表示ユニット１３に表示するか、あるいは出力
ユニット１２から出力する。この第２実施例は撮像装置
４をモノクロカメラに置き換え出来るため、コストの低
減効果を有するばかりでなく、前述の点光源を用いたＮ
ａｙａｒ等の方法が（ｍ×ｎ）回の点灯による（ｍ×
ｎ）枚の画像データのメモリを要したのに対して、（ｍ
＋ｎ）回のパタン投光による（ｍ＋ｎ）枚の画像データ
のメモリで全く同精度の形状計測が可能であり、大幅な
計測時間の短縮とコストの削減が実現される。

【００３４】第２実施例による計測全体の動作順序を図
１１のフローチャートに示す。先ず、図１の計測対象１
をステージ２にセットすると（ＳＴ１）、計測シーケン
スに従ってシステム制御ユニット８の制御信号を受けて
投光撮像制御ユニット６が投光装置３の画面にメモリ１
０にメモリされているプログラムに従って、天頂角計測
用単色パタンＴ１を表示する（ＳＴ２）。表示されたパ
タンの光束を受けた対象を撮像装置４が撮像する（ＳＴ
３）。そこで、撮像装置４はこれを画像データに変換し
て画像入力処理演算ユニット７へ出力する。画像処理演
算ユニット７はこの画像データに基準化演算等の基本的
演算を施した後、内蔵するフレームメモリ（図示せず）
にメモリする。

【００３５】以下、Ｔ２乃至Ｔｍの各パタンを順次投光
装置に表示し（ＳＴ２）、都度対象を撮像装置４が撮像
し（ＳＴ３）、画像データに変換して画像入力処理演算
ユニット７へ出力する。画像処理演算ユニット７は、こ
の画像データに基準化演算等の基本的演算を施した後、
内蔵するフレームメモリにメモリする。フレームメモリ
にｍ枚の画像データがメモリされたら、ＣＰＵ９はこの
データから各面素の天頂角成分ベクトルを算出して（Ｓ
Ｔ４）、データをメモリ１０に貯蔵する（ＳＴ５）。

【００３６】次に計測シーケンスに従って、システム制
御ユニット８の制御信号を受けて投光撮像制御ユニット
６が投光装置３の画像にメモリ１０にメモリされている
プログラムに従って方位角計測用単色パタンを表示する
（ＳＴ６）。表示されたパタンの光束を受けた対象を撮
像を装置４が撮像する（ＳＴ７）。そこで、撮像装置４
はこれを画像データに変換して画像入力処理演算ユニッ
ト７へ出力する。画像処理演算ユニット７はこの画像デ
ータに基準化演算等の基本的演算を施した後、内蔵する
フレームメモリにメモリする。以下、Ｔ２乃至Ｔｎの各
パタンを順次投光装置に表示し（ＳＴ６）、都度対象を
撮像装置４が撮像し（ＳＴ７）、画像データに変換して
画像入力処理演算ユニット７へ出力する。画像処理演算
ユニット７は、この画像データに基準化演算等の基本的
演算を施した後、内蔵するフレームメモリにメモリす
る。

【００３７】フレームメモリにｎ枚の画像データがメモ
リされたら、ＣＰＵ９はこのデータから各面素の方位角
成分ベクトルを算出して（ＳＴ８）、データをメモリ１
０に貯蔵する（ＳＴ９）。次に以上によりメモリ１０に
貯蔵された両成分データを用いてＣＰＵ９が三次元計測
演算により、対象各面素の法線ベクトルを算出し（ＳＴ
１０）、計測結果を表示ユニット１３に表示するか、あ
るいは出力ユニット１２から出力して計測を完了する。

【００３８】次に、本発明を具体化した形状検査装置を
第３実施例として説明する。その装置構成を図１２に示
す。第３実施例は、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標軸の原点に対象１を
置き、これに対して４台の投光装置３ａ、３ｂ、３ｃ、
３ｄ（図１２中投光装置３ｃ及び３ｄは重畳）をＸ−Ｙ
直交軸真上の同一高さ（Ｚ軸）の空間座標位置、即ちＺ
軸対称位置に設置し、それぞれの光束を対象に投射し、
真上への反射光を撮像する撮像装置４を備えた検査装置
である。即ち、第１実施例の投光装置３を各直交軸より
浮上した位置に１台宛配置したものである。検査対象１
をどの方向から計測・検査するかの指示は予め教示され
ているので、その教示内容に従って投光装置３ａ、３
ｂ、３ｃ、３ｄの中のいずれか１台が第１実施例と同様
に図２の天頂角計測用カラーパタンと方位角計測用カラ
ーパタンを順次表示して、撮像装置４が都度撮像し、計
測された三次元形状データを元に良否判定プログラムが
対象品質良否判定を下す。また、必要により複数台の投
光装置３を複合的に機能させて自動検査を実行すること
も出来る。つまり、複数台の投光装置３のそれぞれの計
測位相を教示によって定めておき、良否判定プログラム
がそれらの計測データを総合して判定を下すようにする
ことも出来る。

【００３９】次に、第３実施例の動作を図１３のフロー
チャートを用いて説明する。先ず、図１２の検査対象１
をＸ−Ｙステージ２にセットすると（ＳＴ１）、装置は
教示された計測シーケンスに従ったシステム制御ユニッ
ト８の制御信号を受けて検査対象１を自動検査位置にも
たらす（ＳＴ２）。投光撮像制御ユニット６はシステム
制御ユニット８の制御信号を受けて教示データにより選
択された投光装置３の中の１台の画面にメモリ１０にメ
モリされているプログラムに従って、天頂角計測用カラ
ーパタンを表示する（ＳＴ３）。表示されたパタンの光
束を受けた対象を測定系空間ｚ軸上の撮像装置４のカラ
ーカメラが撮像する（ＳＴ３）。そこで、撮像装置４は
これを画像信号に変換して画像入力処理演算ユニット７
へ出力する。画像処理演算ユニット７はこの画像信号に
基準化演算等の基本的演算を施した後、内蔵するフレー
ムメモリ（図示せず）にメモリする。ＣＰＵ９は、この
データから各面素の天頂角成分ベクトルを算出して、デ
ータをメモリ１０に貯蔵する（ＳＴ４）。

【００４０】次に教示された検査シーケンスに従ってシ
ステム制御ユニット８の制御信号を受けて投光撮像制御
ユニット６が投光装置３の画面にメモリ１０にメモリさ
れているプログラムに従って方位角計測用カラーパタン
を表示する（ＳＴ５）。表示されたパタンの光束を受け
反射する対象を撮像装置４のカラーカメラが撮像する。
そこで、撮像装置４はこれを画像信号に変換して画像入
力処理演算ユニット７へ出力する。画像処理演算ユニッ
ト７はこの画像信号に基準化演算等の基本的演算を施し
た後、フレームメモリにメモリする。ＣＰＵ９はこのデ
ータから各面素の方位角成分ベクトルを算出して、デー
タをメモリ１０に貯蔵する（ＳＴ６）。次に、以上によ
りメモリ１０に貯蔵された両成分データを用いてＣＰＵ
９が三次元計測演算により、対象各面素の法線ベクトル
を算出し（ＳＴ７）、算出された三次元データを用いて
判定アルゴリズムが検査対象の品質良否を判定する（Ｓ
Ｔ８）。検査結果は必要によりメモリ１０に貯蔵する
か、表示ユニット１３に表示するか、あるいは出力ユニ
ット１２から出力して（ＳＴ９）、検査対象を排出し
（ＳＴ１０）、検査を完了する。

【００４１】図１２のハードウェア構成を有する第３実
施例は教示するデータ、即ちソフトウェアの変更だけで
更に種々の内容の検査を行うことが出来る。その例を上
げると下記のようである。第１例：対象表面天頂角ベクトル検査装置その１図１２の投光装置３は、４台とも図５の天頂角センシン
グ用カラーパタンのみを表示して、同時的に投光・撮像
し、計測及び検査を行う。はんだ形状のように天頂角方
向成分が特に品質に第一義の意味を持つ対象には有効な
検査方法であり、副次的な条件の結果に過ぎない方位角
成分計測を省略出来るので、センシング時間と演算時間
の節約に通じる。

【００４２】第２例：対象表面天頂角ベクトル検査装置
その２第１例の投光装置（図１２：３）の相対向する３ａと３
ｂ、３ｃと３ｄを組合わせて、それぞれ順次点灯（画像
表示）するといずれも天頂角センシングパタンを表示し
ているが、方位角成分の要素が加わるので、第１例に比
して新たな性能が出現する。例えば３ａと３ｂの組み合
わせでは、３ａに天頂角センシングパタンを表示し、一
方３ｂには全面を白色表示として同時点灯すると、凹凸
面の識別が可能となる。凹面では対象表面の右側部にカ
ラーパタン、左側部に白色面が現れ、また、凸面ではそ
の左右の図柄が逆になる。凹凸面の区別は第１例では不
可能であった。

【００４３】第３例：方位角ベクトル検査装置第１例とは逆に、図１２の投光装置３は４台とも図６の
方位角センシング用カラーパタンのみを表示して投光・
撮像し、計測及び検査を行う。検査対象の向きのみを検
査するケースで天頂角成分計測を省略出来るので、セン
シング時間と演算時間の節約に通じる。

【００４４】第３実施例は、以上のようなソフトウェア
変更で様々な検査を実行出来るが、また本実施例と同様
な機能は異なるハードウェアによっても実現される。例
えば、図１２の投光装置３が３ａのみを備え、これを投
光装置回転機構（図示せず）により、第３実施例の説明
で述べた投光装置３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの画像表示・
撮像タイミングにそれぞれの投光位置に移動させること
により、第３実施例と同じ検査目的が達成される。

【００４５】次に、本発明の第４実施例である形状検査
装置を説明する。第４実施例の構成は図１２の通りであ
り、第３実施例と同様であるが、第３実施例と異なる要
素は、検査対象の自動検査を行った後、不良判定された
箇所のみを画像表示して目視再検査を行う点であり、目
視再検査時には白色照明を行うことである。本例では、
図１２に示された投光装置３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの各
画面上に白色エリアを表示し、これを白色照明光源とな
している。しかし、投光装置３以外に別途白色光源を備
え、目視再検査時のみこれを点灯して用いても、一向に
差支えはない。

【００４６】更に、目視再検時の照明として一般的な室
内照明用白色灯の光束が品質の観測判別に充分な対象画
像を提供しうる場合は、その光束を利用しても支障がな
いこと言うまでもない。ここで、目視観察時白色照明と
する理由は、対象が本来保有する色彩を飽くまでも自然
色で観測するためである。自動検査位相で用いたカラー
光束では対象の持つ本来の色合いが失われ、目視判定を
著しく困難にするばかりか、眼精疲労の原因となる。特
に非ランバート面には画像として全く非日常的な色付け
がなされる。また、投光装置３を光源に利用するメリッ
トはその画面上に表示する白色領域の形や面積や位置を
カラー表示指令プログラムで自由に決められるので、目
視観察に最適な照明が得られることにある。特に鏡面反
射性を持つ非ランバート面は正反射方向を精確に捕捉し
なければ単なる暗領域となり、目視観察が不可能となる
ので、光源のジオメトリ上の条件を自由に設定出来るこ
とは大きな有利である。以上述べた目視再検査位相での
照明方法以外の自動検査位相での投光・撮像方法は、第
３実施例と同様であり、第３実施例の既出説明の通りで
ある。

【００４７】次に、第４実施例の動作を図１４及び図１
５に示すフローチャートを用いて説明する。図１４は三
次元形状計測及び自動検査の基本原理が図１３で説明し
た第３実施例のものと全く同様であるので、その点につ
いては説明を省略するが、次の点のみ第３実施例と異な
るので説明を加える。（１）第４実施例は、１検査対象の中に複数の検査領域
を包含した場合の検査フローを例示したものである。例
えば、プリント配線板上に搭載された電子部品のはんだ
付け検査の場合がこれに該当する。そこで、１標本の中
で順次全検査領域を自動的に走査し（Ａ→Ｂルートサイ
クル）領域毎に良否判定を行うようにしている。これら
のシーケンス制御はシステム制御ユニット８からの制御
信号によって行われる。

【００４８】（２）それらの検査領域の中で品質不良と
自動判定された場合には、その位置データをメモリする
（ＳＴ８）。（３）１標本の全検査領域の自動判定が終了したら自動
検査位相が終了したので、標本は再検査の位置にセット
され、目視再検査位相が始まる（図１５、ＳＴ１０）。

【００４９】図１５の目視再検査ステップにおいては、
再検査シーケンスは図１２のメモリ１０にメモリされて
いる不良箇所位置データに従ってシステム制御ユニット
８の制御信号により、位置決め装置（図示せず）がＸ−
Ｙステージ２を移動させて、上述のように検査対象１の
再検査領域を再検査位置にもたらす（ＳＴ１０）。そこ
で、ＳＴ１０において、投光装置３が白色面を表示して
検査対象１に対して白色光束を照射すると、撮像装置４
のカラーカメラが再検査領域を撮像し（ＳＴ１１）、そ
の画像を表示ユニット１３のスクリーン上に表示する
（ＳＴ１２）。そこでオペレータは、この画像を観測す
ることによって目視検査を行い、良否判定を下し（ＳＴ
１３）、判定結果を入力ユニット１１に入力する（ＳＴ
１４）。結果の入力が終わると、ＳＴ１５がＮＯであれ
ば再検査シーケンスはメモリ１０にメモリされている不
良箇所位置データに従って（ＳＴ１６）制御ユニット８
の制御信号により位置決め装置（図示せず）が再びＸ−
Ｙステージ２を移動させて検査対象１を次の再検査位置
にもたらし、以上述べた動作が反復される（Ｃ→Ｄルー
トサイクル）。

【００５０】このようにして、全ての再検査位置の再検
査が完了したら、ＳＴ１５がＹＥＳとなり検査対象１が
Ｘ−Ｙステージ２から排出され（ＳＴ１７）、全検査工
程が完了する。以上述べたように、本実施例は良否判定
を自動的に行い、不良の領域だけを画像として表示する
ので、オペレータは極く少数の目視検査を行えば良いこ
とになり、大幅な省力化が実現されるばかりでなく、稍
緩かな自動検査判定基準を設定することによって、不良
箇所の不検出リスクを回避し、少数の良箇所過検出を許
容して不良判定し、不良判定のみの目視再検査を表示画
像によって行うのである。

【００５１】次に、本発明の第５実施例である画像表示
検査装置について説明する。第５実施例の構成を図１９
に、また動作のフローチャートを図２０にそれぞれ示
す。本実施例は、検査対象の自動検査を行わず検査箇所
を撮像し、画像表示してオペレータが目視することによ
り良否判定する検査装置であり、目視検査のために対象
の形状や表面特性に対応して最適の白色照明を行う。こ
こで目視観測時白色照明とする理由は、既に第４実施例
の再検査ステップの説明で述べた通りである。特に、鏡
面反射性を持つ非ランバート面は正反射方向を正確に捕
捉しなければ、単なる暗領域となり目視観察が不可能に
なる。

【００５２】本実施例は形状不明かつ自由曲面体である
非ランバート面検査対象に最適の白色照明を得るため
に、第２実施例の時分割角度照明の原理を応用した照明
を行い、照明過多も過少もない、最良の対象画像が得ら
れるようにしている。まず、搬入装置（図示せず）によ
り、図１９の検査対象１が搬入され、Ｘ−Ｙステージ２
にセットされると（ＳＴ１）、検査シーケンスに従って
システム制御ユニット７の制御信号により位置決め装置
（図示せず）が、Ｘ−Ｙステージ２を移動させて検査対
象１の検査領域を検査位置にもたらす（ＳＴ２）。

【００５３】投光装置３は実施例３及び４で説明した図
１２の投光装置３と同様な構造と機能を有している。投
光撮像制御ユニット６は教示された検査データに従って
検査方位角に該当する投光装置３ａ乃至３ｄのいずれか
に検査用画像を表示せしめる（ＳＴ３）。この時、表示
する画像はまず天頂角センシング用画像であって、例え
ば図９に示す第２実施例の表示画像Ｔｉを各０．５〜２
秒宛Ｔ１〜Ｔ６順に表示しては消去して行く。撮像され
た（ＳＴ４）画像は、順次表示装置１２の画面上に表示
される（ＳＴ５）ので、この画像をオペレータが目視観
測して判定可能であれば（ＳＴ６）品質の良否を判定し
（ＳＴ１０）、判定結果を入力装置１０により入力す
る。

【００５４】ここで、対象に対して入射天頂角の異なる
白色画像を順次表示する理由は、前述したように対象が
未知形状の自由曲面体であるためで、検査前にはどの天
頂角照明が最適か不明だからである。オペレータは最適
の画像が得られたＴｉ照明で入力ユニット１０からの指
令入力により自動的角度変更を一時中断し、良否判定を
つけられるまで画像を十分に視察することも出来る。も
し、ＳＴ６がＮＯであり、天頂角成分画像では判定不能
であれば、検査シーケンスは次に方位角センシングのス
テップに入り（ＳＴ７〜９）、例えば図１０に示す第２
実施例の表示画像Ｔｊを各０．５〜２秒宛Ｔ１〜Ｔ６順
に表示しては消去して行く。撮像された（ＳＴ８）画像
は順次表示装置１２の画面上に表示される（ＳＴ９）の
で、オペレータが良否判定をして（ＳＴ１０）、次の検
査位置に対象を移動する（Ａ−Ｂフローサイクル）。全
検査領域の検査が完了したら（ＳＴ１１）検体を排出し
て（ＳＴ１２）、検査を完了する。このフローにおいて
必要があれば、判定結果データをメモリ９にメモリした
り、または出力装置１１によりプリント・アウトした
り、他のコンピュータ等に送信したりすることも出来
る。

【００５５】次に、第４実施例による画像目視再検査を
行いながら、最終的不良と判定された箇所を修理修正す
ることによって半製品を完成する、プリント配線板電子
部品実装製造工程を例にとり説明する。図１７はプリン
ト配線板に電子部品をはんだ付けする製造ラインを示し
ている。左端のはんだ印刷機２１にプリント配線板が搬
入されると、そこでスクリーン印刷によりクリームはん
だが塗布され、ベルトコンベアによりチップ装着機２２
に搬入され、チップ部品が装着されて次に異形部品装着
機２３に運ばれて異形部品が装着される。予定された全
ての部品の装着が終わると、リフロー炉２４に搬入さ
れ、クリームはんだが熔融されてはんだ付けが完了す
る。はんだ付けプリント配線板は、次に本発明に係る第
３実施例あるいは第４実施例の自動検査装置２５に送り
こまれて、電子部品の有無やはんだ付けの良否の検査が
なされる。自動検査装置２５で自動検査が終わったプリ
ント配線板は、第３実施例検査装置の場合には、ベルト
コンベアにより本発明に係る第４実施例検査装置に送り
込まれると同時に、自動検査結果データも通信線を通じ
て本発明に係る検査装置に送信される。また、第４実施
例検査装置の場合には、第４実施例で説明した通りの再
検査ステップに入る。そこで、オペレータは表示画像に
ついて目視再検査を行った上、この半製品プリント配線
板の不良箇所の修理修正をその場で即実行する。図１６
は検査装置が修理台１６を備え、画像目視再検査がなさ
れて不良と判定された場合、検査対象１は修理台１６へ
引き出され、そこで修理対象１５として修理または修正
が施される。その場合の動作ステップは、図１８のフロ
ーチャートの通りであり、オペレータが画像目視により
不良判定する度に（ＳＴ６）、その箇所の修理修正を実
施し（ＳＴ７）、再び対象をＸ−Ｙテーブルに戻すと、
再検査対象１は上述の通りに次の再検査位置に位置決め
され、次の再検査箇所が画像表示される。

【００５６】このようにして、再検査と修理修正が施さ
れて全箇所の部品実装状態が完璧となった実装プリント
配線板は製品として仕上げられたものであり、完成品と
して出荷される。検査と修理修正はこのように不即不離
の関係にあり、不可欠のステップとして製造工程に組み
込まれているのである。説明では、自動検査装置と本発
明になる検査装置とがベルトコンベアで連結されている
例を上げたが、現場の必要性から両検査装置が切り離さ
れた状態にあって、プリント配線板がストッカによって
一括して後者に運ばれ、一方自動検査結果データが通信
方式またはフロッピディスクによって入力ユニット１０
に伝達されても一向に構わない。また、図１０の修理台
１６はＸ−Ｙテーブル２が兼用されて、その機能を果た
す構成であっても良い。

【００５７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、従来の
三次元計測装置は対象と投光手段と撮像手段が一定の幾
何光学的配置に固定化されるために、一度装置のハード
ウェアが決まると、目的や対象の特性に従ってそれぞれ
に適した三次元計測法に変更して計測を実行することが
出来ない宿命であったのに対して、画像表示装置を投光
装置とし最適の投光パタンをソフトウェア指令により、
その画面上に自在に描出し、能動的三次元情報センシン
グを行うことが出来るので、異なる目的の多種の計測を
種々の表面特性を有する対象に適用することが出来るよ
うになった。

【００５８】請求項２に記載の発明によれば、投光手段
が異なるパタンを時分割的に表示して投光し、これと同
期して対象を撮像する機能を有するために、それらの画
像データをメモリして計測演算すると、最少回数の撮像
によって十分な三次元計測を実行できるようになった。
請求項３に記載の発明によれば、天頂角成分ベクトル計
測のためのパタン光と方位角成分ベクトル計測のための
パタン光を異なる位相で投光して撮像し、両位相の画像
データをメモリして三次元形状計測演算を行うので、対
象の表面法線ベクトルが最短時間で算出出来るようにな
った。

【００５９】請求項４に記載の発明によれば、投光手段
は、計測対象を原点とする空間座標に仮想的に位置する
ガウス球表面上の緯度線あるいは経度線もしくは緯度上
のエリアあるいは経度上のエリアを画面上に中心投影法
あるいはその他の投影法により描いたパタンを表示して
光源として使用するので、精確な三次元計測が実現し
た。

【００６０】請求項５に記載の発明によれば、計測目的
や計測対象の特性に従って、請求項１記載の計測装置が
撮像手段の撮像角度あるいは撮像倍率の変更をすること
が出来るようになった。請求項６に記載の発明によれ
ば、品質良否判定プログラムを備えたので、計測された
対象の三次元形状データを用いて対象品質の良否判定を
行うことが出来るようになった。

【００６１】請求項７に記載の発明によれば、投光手段
である画像表示装置の画面上に対象の目視検査に好適な
画像を生成するのに必要な白色エリアを表示して対象を
照明し、撮像手段が撮像して画像表示するので、検査装
置が見易く眼性疲労の少ない画像を提供出来るようにな
った。請求項８に記載の発明によれば、自動検査位相で
不良判定した検査対象の同定（ＩＤ）データをメモリ
し、その同定（ＩＤ）データを用いて対象の自動検査が
完了した後に、自動検査不良判定対象を撮像して、その
画像を表示し、目視による再検査に提供することが出来
るようになった。

【００６２】請求項９、請求項１０、及び請求項１１の
発明によれば、ラインを流れる半製品の検査を行い、そ
の結果品質不良と判定された箇所を修理修正して完成品
を得ることが出来るようになった。以上述べたように、
本発明によれば、三次元形状計測装置において能動的セ
ンシング方法を実行するにあたり、計測対象に投光する
光束の生成をカラー画像表示装置の画面上に描出した計
測用カラーパタンにより実現したので、特に表面角度セ
ンシング法の適用例に見られるように、従来は極端に多
数回の計測が必要なために実用性に劣った方法が、例え
ば２回の計測で十分な三次元情報が得られ、実用範囲に
十分入るという大きな効果を生むことになった。この基
本技術に伴い、計測用白色パタンの時分割表示投光で
も、従来法より短時間の計測が実現出来るし、また目視
検査に好都合な画像を得るための白色エリア表示を実現
した目視検査用撮像検査装置も実現出来る。更に、この
基本計測技術を応用した自動検査装置が実現出来るの
で、これにより半製品の検査を行いながら、即不良箇所
の修理修正を行い、検査・修理修正工程を製造工程の中
に組込んで完成品を仕上げる一貫製造方法のシステム化
による高信頼性化、省人化、低コスト化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例形状計測装置を示す図であ
る。

【図２】同実施例形状計測装置の計測対象、投光ユニッ
ト、撮像装置の配置例を示す図である。

【図３】同実施例形状計測装置の計測対象、投光ユニッ
ト、撮像装置の他の配置例を示す図である。

【図４】同実施例形状計測装置の計測対象、投光ユニッ
ト、撮像装置の他の配置例を示す図である。

【図５】同実施例形状計測装置の投光ユニット画面上に
描出する表面角度センシング用カラーパタンである。

【図６】同実施例形状計測装置の投光ユニット画面上に
描出する表面角度センシング用カラーパタンである。

【図７】同投光ユニット画面上に表示する表面角度セン
シング用パタンの数字的描出方法を説明する図である。

【図８】実施例形状計測装置における計測プロセスを説
明するためのフローチャートである。

【図９】この発明の他の実施例形状計測装置の投光ユニ
ット画面上に描出する表面角度センシング用時分割単色
パタンである。

【図１０】この発明の他の実施例形状計測装置の投光ユ
ニット画面上に描出する表面角度センシング用時分割単
色パタンである。

【図１１】同実施例形状計測装置における計測のプロセ
スを説明するためのフローチャートである。

【図１２】この発明の他の実施例製品の検査装置を示す
図である。

【図１３】この発明の他の実施例検査装置の動作を説明
するためのフローチャートである。

【図１４】この発明の更に他の実施例検査装置の動作を
説明するためのフローチャートである。

【図１５】図１４とともに、実施例検査装置の動作を説
明するためのフローチャートである。

【図１６】この発明の他の実施例検査装置を示す図であ
る。

【図１７】プリント配線板に電子部品をはんだ付けする
工程での処理方法を説明する図である。

【図１８】同実施例検査装置の動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図１９】この発明の更に他の実施例検査装置を示す図
である。

【図２０】同実施例検査装置の動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図２１】同実施例計測装置の投光ユニット画面上に描
出する単純かつ低精度の表面角度センシング用カラーパ
タン参考例である。

【図２２】同実施例計測装置の投光ユニット画面上に描
出する単純かつ低精度の表面角度センシング用カラーパ
タン参考例である。

【図２３】計測対象と投光装置と撮像装置の幾何光学的
空間座標と、その数字的表現を説明する図である。

【図２４】従来の表面角度センシング方法における投光
装置の光源配置を説明するための図である。

【符号の説明】

１計測対象２Ｘ−Ｙステージ３投光装置４カラーカメラ１１入力ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元形状計測装置であって、カラー画像表示装置であり、所定の投光方式に従って、
カラーパタンを表示して発生する光束を計測対象に投光
する投光手段と、この投光手段とは、前記計測対象に対して三次元形状計
測を可能とする幾何光学的空間位置関係に設置され、前
記光束を受けた計測対象を撮像して画像信号を出力する
撮像手段と、適用した三次元計測方式に準じて、前記投光手段の投光
方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る計測方式を規
定する計測方式規定手段と、前記撮像手段からの画像信号を受けて前記計測方式に対
応するプログラムを用いて、三次元形状計測演算をなす
演算手段と、を備えて成ることを特徴とする形状計測装
置。
【請求項２】メモリ手段を具備し、前記投光手段は投光
方式に従い相互に異なる複数のパタンを時分割的に表示
して発生する光束を計測対象に投光し、前記撮像手段は
前記光束を受けた計測対象を撮像方式に従って投光と同
期して時分割的に撮像し、複数組の画像信号を出力し
て、前記メモリ手段に貯蔵し、前記演算手段は貯蔵され
た前記画像信号を併用して三次元形状計測演算を行うも
のである請求項１記載の形状計測装置。
【請求項３】前記投光手段及び撮像手段が、１回の計測
当たり各２位相の投光及び撮像を行い、前記投光手段
は、第一位相においては表面法線ベクトル天頂角成分セ
ンシング・パタンを表示して発生する光束を計測対象に
投光し、第二位相においては表面法線ベクトル方位角成
分センシング・パタンを表示して発生する光束を計測対
象に投光し、前記撮像手段は前記光束を受けた計測対象
を投光と同期して撮像し、２組の画像信号を出力して前
記メモリ手段に貯蔵し、前記演算手段は貯蔵された前記
画像信号を併用して前記計測対象の表面法線ベクトルを
算出することを特徴とする請求項２記載の形状計測装
置。
【請求項４】前記投光手段は、計測対象を原点とする幾
何光学空間座標に位置付けた仮想ガウス球表面上の緯度
線あるいは経度線もしくは緯度上のエリアあるいは経度
上のエリアを中心射影法あるいはその他の球体投影法に
基づいて、前記投光手段画面上に描出することによって
計測対象の表面法線ベクトルセンシング・パタンとした
ことを特徴とする請求項１、請求項２、あるいは請求項
３記載の形状計測装置。
【請求項５】前記撮像手段は、前記計測方式規定手段か
らの撮像角度指示信号あるいは撮像倍率指示信号に従っ
て、撮像角度あるいは撮像倍率の変更が可能である請求
項１記載の形状計測装置。
【請求項６】三次元形状計測方法採用の検査装置であっ
て、カラー画像表示装置であり、所定の投光方式に従っ
て、カラーパタンを表示して発生する光束を検査対象に
投光する投光手段と、この投光手段とは、前記検査対象に対して三次元形状計
測を可能とする幾何光学的空間位置関係に設置され、前
記光束を受けた検査対象を撮像して画像信号を出力する
撮像手段と、適用した三次元計測方式に準じて、前記投光手段の投光
方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る計測方式を規
定する計測方式規定手段と、前記撮像手段からの画像信号を受けて前記計測方式に対
応するプログラムを用いて、三次元形状計測演算をなす
演算手段と、前記演算手段の三次元計測演算データを用いて検査対象
の品質良否判定を行う判定手段とを備えたものであるこ
とを特徴とする検査装置。
【請求項７】検査対象を撮像し、その画像を目視観測に
供する検査装置であって、投光手段は画像表示装置であ
り、投光方式規定手段からの規定信号に従って目視検査
に好適な画像の生成に必要な光源としての白色エリアを
その画像上に表示して発生する光束を前記検査対象に投
光し、撮像手段が前記光束を受けた検査対象を撮像し、
その画像を表示手段が表示する検査装置。
【請求項８】三次元形状計測方法採用の検査装置であっ
て、カラー画像表示装置であり、所定の投光方式に従っ
て、カラーパタンを表示して発生する光束を検査対象に
投光する投光手段と、この投光手段とは、前記検査対象に対して三次元形状計
測を可能とする幾何光学的空間位置関係に設置され、前
記光束を受けた検査対象を撮像して画像信号を出力する
撮像手段と、適用した三次元計測方式に準じて、前記投光手段の投光
方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る計測方式を規
定する計測方式規定手段と、前記撮像手段からの画像信号を受けて前記計測方式に対
応するプログラムを用いて、三次元形状計測演算をなす
演算手段と、前記演算手段の三次元計測演算データを用いて検査対象
の品質良否判定を行う判定手段と、第１検査位相において自動検査され、不良判定された検
査対象を同定するデータ（ＩＤデータ）を記憶する記憶
手段と、第２検査位相において前記同定データを用いて選択さ
れ、前記撮像手段によって撮像された前記不良判定対象
の画像を、不良判定の目視再検査に供するため表示する
表示手段とを備えたものであることを特徴とする検査装
置。
【請求項９】検査対象の形状を検査し、不良判定された
検査対象に修理修正を施すことによって、半製品から完
成品を製造する方法であって、製品製造ライン内に、三次元形状計測装置であって、カラー画像表示装置であ
り、所定の投光方式に従って、カラーパタンを表示して
発生する光束を検査対象に投光する投光手段と、この投
光手段とは、前記検査対象に対して三次元形状計測を可
能とする幾何光学的空間位置関係に設置され、前記光束
を受けた検査対象を撮像して画像信号を出力する撮像手
段と、適用した三次元計測方式に準じて、前記投光手段
の投光方式及び前記撮像手段の撮像方式から成る計測方
式を規定する計測方式規定手段と、前記撮像手段からの
画像信号を受けて前記計測方式に対応するプログラムを
用いて、三次元形状計測演算をなす演算手段とを備える
検査装置を設置し、この検査装置により、半製品の品質
の良否判定を行い、不良判定された箇所の修理修正を行
い、半製品を完成することを特徴とする製品製造方法。
【請求項１０】検査対象の形状を検査し、不良判定され
た検査対象に修理修正を施すことによって、半製品から
完成品を製造する方法であって、製造ライン内に、検査
対象を撮像し、その画像を目視観測に供する検査装置で
あって、投光手段は画像表示装置であり、投光方式規定
手段からの規定信号に従って目視検査に好適な画像の生
成に必要な光源としての白色エリアをその画像上に表示
して発生する光束を前記検査対象に投光し、撮像手段が
前記光束を受けた検査対象を撮像し、その画像を表示手
段が表示する検査装置を設置し、この検査装置により半
製品の品質の良否判定を行い、不良判定された箇所の修
理修正を行い、半製品を完成することを特徴とする製品
製造方法。
【請求項１１】検査対象の形状を検査し、不良判定され
た検査対象に修理修正を施すことによって、半製品から
完成品を製造する方法であって、製品製造ライン内に、
三次元形状計測方法採用の検査装置であって、カラー画
像表示装置であり、所定の投光方式に従って、カラーパ
タンを表示して発生する光束を検査対象に投光する投光
手段と、この投光手段とは、前記検査対象に対して三次
元形状計測を可能とする幾何光学的空間位置関係に設置
され、前記光束を受けた検査対象を撮像して画像信号を
出力する撮像手段と、適用した三次元計測方式に準じ
て、前記投光手段の投光方式及び前記撮像手段の撮像方
式から成る計測方式を規定する計測方式規定手段と、前
記撮像手段からの画像信号を受けて前記計測方式に対応
するプログラムを用いて、三次元形状計測演算をなす演
算手段と、前記演算手段の三次元計測演算データを用い
て検査対象の品質良否判定を行う判定手段と、第１検査
位相において自動検査され、不良判定された検査対象を
同定するデータ（ＩＤデータ）を記憶する記憶手段と、
第２検査位相において前記同定データを用いて選択さ
れ、前記撮像手段によって撮像された前記不良判定対象
の画像を、不良判定の目視再検査に供するため表示する
表示手段とを備えた検査装置を設置し、この検査装置に
より、半製品の品質の良否判定を行い、不良判定された
箇所の品質の修理修正を行い、半製品を完成することを
特徴とする製品製造方法。