JP6507063B2 - 画像検査装置 - Google Patents

Description

本発明は画像検査装置に関し、特に、検査対象物（ワーク）に含まれる突起部の高さを算出することが可能な画像検査装置に関する。

検査対象物（ワーク）に含まれる突起部の高さを計測する方法としては、例えば特許文献１に記載された方法が知られている。特許文献１に記載された方法は、検査対象となる突起を斜め方向から撮影し、得られた画像上の高さ、撮影角度およびレンズ倍率に基づいて、突起の実際の高さを演算するというものである。

特開２０１３−７９８３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、突起に傾きなどが存在する場合、その高さを正確に算出することは困難である。また、特許文献１に記載の方法は、スタッドバンプのように垂直に突出した形状を有する突起であればその高さを算出できるものの、バネ性を有する端子電極のように、複雑な形状を有する対象物の表面高さを算出することは困難である。

したがって、本発明は、対象物の傾きや形状にかかわらず、計測点の高さや深さを正確に算出可能な画像検査装置を提供することを目的とする。

本発明による画像検査装置は、基準点及び計測点を有する検査対象物を基準平面上に保持する保持手段と、光軸が前記基準平面の垂線に対して第１の角度に保持された第１の撮影手段と、光軸が前記基準平面の垂線に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度保持された第２の撮影手段と、前記第１及び第２の撮影手段によってそれぞれ得られた第１及び第２の画像を処理する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記第１の画像における前記基準点と前記計測点の距離と、前記第２の画像における前記基準点と前記計測点の距離に基づいて、前記基準点と前記計測点を結ぶ直線の長さと、前記基準平面と前記直線が成す第３の角度を算出し、前記直線の長さ及び前記第３の角度に基づいて、前記基準平面に対して垂直な前記基準点と前記計測点の高さの差を算出することを特徴とする。

本発明によれば、対象物の高さを直接算出するのではなく、基準点と計測点を結ぶ直線の長さを２つの撮影手段から算出するとともに、基準平面と前記直線が成す角度を算出し、これらに基づいて計測点の高さを算出していることから、対象物の傾きや形状にかかわらず、計測点の高さや深さを正確に算出することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による画像検査装置１０の外観の一部を示す略断面図である。 図２は、画像検査装置１０構成を説明するためのブロック図である。 図３はワークＷの基本構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４は、具体的なワークＷの構成の一例を示す平面図である。 図５は、本実施形態による画像検査装置１０の計測原理を説明するための図である。 図６（ａ）はカメラ１１による撮影イメージであり、図６（ｂ）はカメラ１２による撮影イメージである。 図７は、シャインプルーフ光学系を説明するための模式図である。 図８は中間点を設定した場合における撮影イメージであり、（ａ）はカメラ１１による撮影イメージであり、（ｂ）はカメラ１２による撮影イメージである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による画像検査装置１０の外観の一部を示す略断面図である。

図１に示すように、本実施形態による画像検査装置１０は、検査対象物（ワーク）Ｗが載置されるステージＳと、ワークＷを撮影するカメラ１１，１２を備える。図１に示す構成では、ステージＳの下側からワークＷを撮影しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、ステージＳの上側からワークＷを撮影しても構わない。ステージＳはワークＷをＸＹ平面からなる基準平面上に保持する保持手段を構成する。カメラ１１，１２は、それぞれ第１及び第２の撮影手段を構成し、互いに異なる角度からワークＷを撮影する。

図１に示す例では、カメラ１１の光軸はＺ方向、つまり、基準平面の垂線と同じ方向を向いている。これに対し、カメラ１２の光軸は基準平面に対して垂直ではない所定の傾きを有している。但し、本発明がこれに限定されるものではなく、２つのカメラ１１，１２の光軸と基準平面が成す角度が違い異なっていれば足りる。尚、基準平面がステージＳの表面に限定されるものではなく、Ｚ方向における高さにかかわらず、全てのＸＹ平面は基準平面を構成する。

図２は、画像検査装置１０構成を説明するためのブロック図である。

図２に示すように、画像検査装置１０はカメラ１１，１２の他に、コントローラ１３、入力デバイス１４及び出力デバイス１５を備える。コントローラ１３は、カメラ１１，１２によってそれぞれ得られた画像を処理する制御手段であり、後述する演算処理などを行う。オペレータからコントローラ１３への指示は、キーボード、タッチパネル、ポインティングデバイスなどからなる入力デバイス１４を介して行う。また、コントローラ１３による演算結果などは、ディスプレイ、プリンタなどからなる出力デバイス１５に送信される。出力デバイス１５には、カメラ１１，１２によって撮影された画像を表示しても構わない。

図３はワークＷの基本構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図３に示すように、ワークＷには２つの特徴点が含まれている。一つは基準点２１であり、もう一つは計測点２２である。実際には、基準点２１および計測点２２とも、電極のような所定の平面上のある１点（例えば中心点）に設定される。中心点の設定は、コントローラ１３による画像処理などによって行うことができる。

基準点２１と計測点２２は、ＸＹ平面上における位置が互いに異なっている必要がある。上述の通り、ＸＹ平面は基準平面を構成する。図３に示す例では、基準点２１のＺ方向における高さと、計測点２２のＺ方向における高さが相違しており、その差ΔＺが本実施形態による画像検査装置１０によって算出される。

図４は、具体的なワークＷの構成の一例を示す平面図である。

図４に示すワークＷは矩形であり、その四辺に沿って多数のボンディングパッド２３が設けられている。また、ボンディングパッド２３に囲まれた中央領域には、バネ性を有する複数の端子電極２４が設けられており、その表面のある一点（例えば中心点）が計測点２２を構成する。つまり、図４に示すワークＷを検査対象とする場合、複数の端子電極２４の高さが計測されることになる。

一方、基準点２１については、１又は２以上の計測点２２ごとに設定される。図４に示す例では、Ｙ方向における略中央に位置する２つのボンディングパッド２３Ａ，２３ＢをＸ方向に結ぶ直線２５を設定し、この直線２５上における各計測点２２に垂直な点を基準点２１として設定する。この方法によれば、各基準点２１と各計測点２２の距離がほぼ一定となることから、計測点２２ごと計測ばらつきが生じにくくなる。

図５は、本実施形態による画像検査装置１０の計測原理を説明するための図である。

図５に示す例では、カメラ１１の光軸がＺ方向に対して一方向（マイナス方向）に角度Ａ１だけ傾いており、カメラ１２の光軸がＺ方向に対して逆方向（プラス方向）に角度Ａ２だけ傾いている。角度Ａ１，Ａ２は、カメラ１１，１２を設置する際に固定されることから既知の値であり、図２に示すコントローラ１３にあらかじめ入力される。

そして、カメラ１１，１２を用いてワークＷを撮影し、コントローラ１３は、撮影によって得られた画像から基準点２１と計測点２２の距離を特定する。図５に示す例では、基準点２１は基準対象物２１Ａの先端に設定されており、計測点２２は計測対象物２２Ａの先端に設定されている。

図５においては、カメラ１１の撮影画像から得られた基準点２１と計測点２２の距離をΔＹ１と表記し、カメラ１２の撮影画像から得られた基準点２１と計測点２２の距離をΔＹ２と表記している。これにより、コントローラ１３は、角度Ａ１，Ａ２と距離ΔＹ１，ΔＹ２の値を得ることができる。カメラ１１による撮影イメージは図６（ａ）に示されており、カメラ１２による撮影イメージは図６（ｂ）に示されている。カメラ１１とカメラ１２は、互いに異なる方向から撮影していることから、計測点２２は計測対象物２２Ａ（突起）についても異なる方向に突出しているように見える。

次に、コントローラ１３は、角度Ａ１，Ａ２と距離ΔＹ１，ΔＹ２の値を用いて、基準点２１と計測点２２を結ぶ直線Ｌ０の距離Ｄと、直線Ｌ０が基準平面Ｐに対して成す角度αを算出する。かかる演算には下記の方程式を用いる。

まず、基準点２１又は計測点２２（図５では計測点２２）を通り、基準平面Ｐに対して角度Ａ１だけ傾いた補助線Ｌ１を設定すると、下記の式（１）が成り立つことが分かる。
ｃｏｓ（α−Ａ１）＝Ｄ／ΔＹ１・・・（１）
同様に、基準点２１又は計測点２２（図５では基準点２１）を通り、基準平面Ｐに対して角度Ａ２だけ傾いた補助線Ｌ２を設定すると、下記の式（２）が成り立つことが分かる。
ｃｏｓ（α＋Ａ２）＝Ｄ／ΔＹ２・・・（２）

これらの式（１）、（２）を変形すると、それぞれ下記の式（３）、（４）が得られる。
Ｄ＝ΔＹ１／ｃｏｓ（α−Ａ１）・・・（３）
Ｄ＝ΔＹ２／ｃｏｓ（α＋Ａ２）・・・（４）
したがって、下記の式（５）が成立する。
ΔＹ１／ｃｏｓ（α−Ａ１）＝ΔＹ２／ｃｏｓ（α＋Ａ２）・・・（５）
これを変形させると、下記の式（６）が得られる。
ΔＹ１／ΔＹ２＝ｃｏｓ（α−Ａ１）／ｃｏｓ（α＋Ａ２）・・・（６）

したがって、式（６）から角度αを算出すれば、式（３）または式（４）から距離Ｄが得られるので、下記の式（７）に基づいて、基準点２１と計測点２２のＺ方向における高さの差ΔＺを算出することができる。
ΔＺ＝Ｄ×ｓｉｎ（α）・・・（７）

以上が本実施形態による画像検査装置１０の計測原理である。しかしながら、式（６）から角度αを算出するためには、非常に複雑な演算を実行する必要があるため、演算に時間がかかるおそれがあるばかりでなく、演算に必要なプログラムの作成に大きな労力がかかる可能性がある。そこで、本実施形態では、式（６）を解くことによって角度αを算出するのではなく、種々の値を有するαを式（６）に代入することにより、
ｃｏｓ（α−Ａ１）／ｃｏｓ（α＋Ａ２）
の値が
ΔＹ１／ΔＹ２
に最も近くなるαの値を探す方法を採用している。これは、式（３）および式（４）に種々の値を有するαを代入し、式（３）から得られる距離Ｄの値と式（４）から得られる距離Ｄの値の差が最も小さくなるαの値を探すことと等価であり、その方な方法によってαの値を得ることも可能である。

この方法によれば、演算に要する時間が短縮されるばかりでなく、演算に必要なプログラムの作成が容易となる。但し、この方法によって得られるαの値は近似値であり、その方程式は式（６）'となる。
ΔＹ１／ΔＹ２≒ｃｏｓ（α−Ａ１）／ｃｏｓ（α＋Ａ２）・・・（６）'
しかしながら、代入するαの値の変化ピッチを小さくすることにより、実用上の精度を十分に満たしたαの値を得ることが可能である。αの値の変化ピッチは、要求される測定精度に応じて調整すれば良い。

このように、本実施形態による画像検査装置１０では、簡単な方法でΔＺを算出することができる。しかも、実施形態による画像検査装置１０は、計測点２２を構成する対象物の傾きや形状に依存することなく、高さの差ΔＺを算出することが可能であることから、バネ性を有する端子電極の高さ測定など、複雑な形状を有する対象物を計測する場合において特に好適である。

尚、実用上は、一方のカメラ（例えばカメラ１１）の光軸をＺ方向とし、他方のカメラ（例えばカメラ１２）の光軸を基準平面に対して垂直ではない所定の傾きとすることが好ましい。これによれば、一方のカメラ（例えばカメラ１１）として超深度カメラなどの高価な機材を用いる必要が無くなることから、コストを抑制することができる。これに対し、他方のカメラ（例えばカメラ１２）については、光軸が基準平面に対して傾きを有していることから、傾きが大きいほど、基準点２１への光学距離と計測点２２への光学距離が大きく相違する可能性がある。このような場合、当該カメラ１２については、シャインプルーフ光学系を構成するカメラを用いることが好ましい。

シャインプルーフ光学系とは、図７に示すように、撮像素子３１の光軸とレンズ３２の光軸が互いに傾いている光学系を意味する。この場合、撮像面３１Ａを通る直線Ｌ１０と、レンズ３２の主面を通る直線Ｌ１１と、基準点２１を通り基準平面に平行な直線Ｌ１２が一点Ｑで交わる条件に設定すれば、基準点２１への光学距離と計測点２２への光学距離がほぼ一致することから、基準点２１と計測点２２の両方にフォーカスを合わせることが可能となる。特に、シャインプルーフ光学系に用いるレンズ３２としては、テレセントリックレンズを用いることが好ましい。これによれば、斜め方向から撮影しても、直線部分の画像がゆがむことなく直線として撮像することができる。

図８は中間点を設定した場合における撮影イメージであり、（ａ）はカメラ１１による撮影イメージであり、（ｂ）はカメラ１２による撮影イメージである。

図８に示す例では、計測点２２を構成する端子電極２４の周囲に枠体２６が存在している。例えば、金属からなる枠体２６に切り込みを入れ、切り込みに沿って端子電極２４を上方に持ち上げて突出させると、図７に示すような形状が得られる。この場合、枠体２６のエッジに中間点２７を設定すれば、カメラ１１の撮影画像からは、基準点２１と計測点２２の距離ΔＹ１ａだけでなく、基準点２１と中間点２７の距離ΔＹ１ｂを得ることができる。同様に、カメラ１２の撮影画像からは、基準点２１と計測点２２の距離ΔＹ２ａだけでなく、基準点２１と中間点２７の距離ΔＹ２ｂを得ることができる。

したがって、距離ΔＹ１ｂ，ΔＹ２ｂの値を用いれば、基準点２１から見た計測点２２の高さだけでなく、中間点２７から見た計測点２２の高さを算出することも可能となり、ユーザの多様な要望に応えることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、計測点２２が基準点２１よりも高い位置にある場合を例に説明したが、本発明における計測条件がこれに限定されるものではない。したがって、計測点２２が凹部であり、その深さを算出する場合にも本発明を応用することが可能である。

１０ 画像検査装置
１１，１２ カメラ（撮影手段）
１３ コントローラ（制御手段）
１４ 入力デバイス
１５ 出力デバイス
２１ 基準点
２１Ａ 基準対象物
２２ 計測点
２２Ａ 計測対象物
２３，２３Ａ，２３Ｂ ボンディングパッド
２４ 端子電極
２５ 直線
２６ 枠体
２７ 中間点
３１ 撮像素子
３１Ａ 撮像面
３２ レンズ
Ｐ 基準平面
Ｑ 交点
Ｓ ステージ（保持手段）
Ｗ ワーク（検査対象物）

Claims (9)

1. 基準点及び計測点を有する検査対象物を基準平面上に保持する保持手段と、
   光軸が前記基準平面の垂線に対して第１の角度に保持された第１の撮影手段と、
   光軸が前記基準平面の垂線に対して前記第１の角度とは異なる第２の角度保持された第２の撮影手段と、
   前記第１及び第２の撮影手段によってそれぞれ得られた第１及び第２の画像を処理する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記第１の画像における前記基準点と前記計測点の距離と、前記第２の画像における前記基準点と前記計測点の距離に基づいて、前記基準点と前記計測点を結ぶ直線の長さと、前記基準平面と前記直線が成す第３の角度を算出し、前記直線の長さ及び前記第３の角度に基づいて、前記基準平面に対して垂直な前記基準点と前記計測点の高さの差を算出することを特徴とする画像検査装置。
2. 前記第１の画像における前記基準点と前記計測点の距離をΔＹ１とし、前記第２の画像における前記基準点と前記計測点の距離をΔＹ２とした場合、前記制御手段は、
   ΔＹ１／ΔＹ２
   の値に基づいて前記第３の角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の画像検査装置。
3. 前記第１の角度をＡ１とし、前記第２の角度をＡ２とし、前記第３の角度をαとした場合、前記制御手段は、
   ΔＹ１／ΔＹ２≒ｃｏｓ（α−Ａ１）／ｃｏｓ（α＋Ａ２）
   を満たすαの値を得ることによって、前記第３の角度を算出することを特徴とする請求項２に記載の画像検査装置。
4. 前記直線の長さをＤとした場合、前記制御手段は、
   Ｄ＝ΔＹ１／ｃｏｓ（α−Ａ１）、又は
   Ｄ＝ΔＹ２／ｃｏｓ（α＋Ａ２）
   を演算することによって、前記直線の長さを算出することを特徴とする請求項３に記載の画像検査装置。
5. 前記高さの差をΔＺとした場合、前記制御手段は、
   ΔＺ＝Ｄ×ｓｉｎ（α）
   を演算することによって、前記高さの差を算出することを特徴とする請求項４に記載の画像検査装置。
6. 前記制御手段は、種々の値を有するαを
   ΔＹ１／ΔＹ２＝ｃｏｓ（α−Ａ１）／ｃｏｓ（α＋Ａ２）
   の式に代入することにより、
   ｃｏｓ（α−Ａ１）／ｃｏｓ（α＋Ａ２）
   の値が
   ΔＹ１／ΔＹ２
   に最も近くなるαの値を探すことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の画像検査装置。
7. 前記第１及び第２の角度の少なくとも一方は、前記基準平面に対して垂直ではない所定の傾きを有しており、前記少なくとも一方に対応する前記第１及び第２の撮影手段の少なくとも一方は、前記基準平面に対してシャインプルーフ光学系を構成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の画像検査装置。
8. 前記第１及び第２の角度の他方は、前記基準平面に対して垂直であることを特徴とする請求項７に記載の画像検査装置。
9. 前記計測点は、バネ性を有する端子電極の表面に位置することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の画像検査装置。