JPH11183149A - ３次元測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度かつ高速に被測定物の３次元情報を測
定することができる３次元測定装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光から平行光束１ａが形成され、
この平行光束が投光ユニット７によりライン光として被
測定物１１へ投光される。投光ユニットはリニアモータ
８により平行光束１ａに向かって前後に移動され、ライ
ン光の延びる方向Ｘと直交方向Ｙ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
１１に一定の幅のライン光９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
成することができる。複数のライン光で走査された被測
定物の領域はＣＣＤカメラ６で撮像され、光切断法を用
いて３次元測定が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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２
２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ＰＳ
Ｄ２７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沿って平行に移
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沿って前後に
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６
ａ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３
１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（Ｍ
Ｓ）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Ｃ
ＣＤ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３
１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ＦＩＦ
Ｏ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ＦＩ
ＦＯ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８
０μｍ）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２
ａ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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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沿って平行に移動させ前
   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。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。
5. 【請求項５】 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。
6. 【請求項６】 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。