JP2005061953A - 突起の高さ測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の突起の高さを高速に測定する。
【解決手段】 移動ステージ３２１上にワーク１００を載置し、ワーク１００上の突起を撮像カメラ３１０により撮像する。撮像カメラ３１０をＸ軸方向に移動するとともに、移動ステージ３２１をＹ軸方向に移動させ、ワーク１００の全面を走査する。撮像カメラ３１０内には、視野領域Ｅをもつエリアセンサが内蔵されており、視野領域Ｅは照明部３３０によって照らされる。エリアセンサは、視野領域Ｅの画像を所定仰角θの方向から撮像する。撮像された画像を制御処理装置３４０に取り込み、突起対応像の輪郭線抽出処理を行う。突起が円錐形であると仮定し、突起対応像の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識し、仰角θ、長さＤ，Ｌに基づく演算により、突起の高さｈを求める。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、突起の高さ測定方法および測定装置に関し、特に、回路基板やＬＳＩチップに設けられた微小なバンプなどの突起の高さを効率良く測定する方法および装置に関する。

回路基板やＢＧＡ（Bump Grid Array）などのＬＳＩチップ上には、配線用電極として用いるために微小なバンプが多数設けられている。このように、何らかのワーク表面に形成された突起の高さを測定することは、個々のロットごとに、仕様どおりの寸法をもった突起が形成されていることを確認する上で重要である。特に、回路基板やＬＳＩチップ上に配線用電極として形成された多数のバンプの場合、寸法にばらつきが生じていると、電気的な接触不良を誘発する要因になるので、出荷前の品質検査の段階で、個々のバンプの高さを測定することが必要になる。

一般的な突起の高さ測定方法としては、変位計を用いた方法と共焦点を利用した方法とが知られている。前者は、たとえば、ワーク上方に配置したレーザ変位計などを用いて、ワーク表面までの距離と突起頂上までの距離とを測定し、両者の差を、突起の高さとして認識する方法である。一方、後者は、顕微鏡などの光学機器を用いて突起を上方から観察し、合焦点位置からピークの高さを計測する方法である。また、たとえば、下記の特許文献１には、突起に照明を当て、その影となる領域を撮像することにより、高さを計測する方法が開示されている。
特開２００１−２９８０３６号公報

従来の突起の高さ測定方法には、多数の突起の高さを高速に測定することが困難であるという問題がある。たとえば、前述した変位計を用いた方法では、レーザ変位計などの微小なスポットを突起に正確に照射する必要があるため、突起１つ１つについて正確な位置合わせが必要になり、多数の突起が形成されているワークについて全数測定するには、多大な時間を要してしまう。また、共焦点を利用した方法では、顕微鏡などの光学機器の視野は比較的狭いため、一度に数個の突起についての測定を行うことしかできない。更に、前掲の特許文献１に開示された方法では、斜めからの照明を広い範囲に均一に照射することが困難であり、やはり多数の突起についての測定を効率良く行うことは困難である。

そこで本発明は、多数の突起の高さを高速に測定することが可能な突起の高さ測定方法および測定装置を提供することを目的とする。

(1) 本発明の第１の態様は、ワーク表面に形成された突起の高さを測定する突起の高さ測定方法において、
測定対象となる突起を含むワーク表面上の所定領域を仰角θの方向から撮像し、突起対応像を含む平面画像を得る撮像段階と、
コンピュータに、撮像段階により得られた平面画像に基づいて、突起対応像の輪郭線を抽出する処理を実行させる輪郭線抽出段階と、
測定対象となる突起が円錐形であるとの仮定の下に、コンピュータに、輪郭線の情報に基づいて、突起対応像上の突起の底面直径部分に対応する部分を直径対応部と認識させるとともに、突起対応像上の突起の母線部分に対応する部分を母線対応部と認識させ、直径対応部の長さＤと母線対応部の長さＬとを求める処理を実行させる直径母線認識段階と、
コンピュータに、仰角θ、直径対応部の長さＤ、母線対応部の長さＬに基づいて、突起の高さｈを演算する処理を実行させる高さ演算段階と、
を行うようにしたものである。

(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る突起の高さ測定方法において、
ワーク表面上に複数の突起が存在する場合に、撮像段階で、複数の突起対応像が互いに重なりを生じる仰角θの臨界角度をθ１とし、突起を構成する円錐の母線とワーク表面とのなす角度をθ２としたときに、撮像段階における仰角θを、θ１＜θ＜θ２なる範囲に設定するようにしたものである。

(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る突起の高さ測定方法において、
輪郭線抽出段階で、撮像段階により得られた平面画像を二値化処理し、画素値の変化する部分を境界線として認識するか、もしくは、撮像段階により得られた平面画像を微分処理し、画素値が極大値をとる部分を境界線として認識するようにしたものである。

(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る突起の高さ測定方法において、
直径母線認識段階で、突起対応像の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、突起対応像の縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識するようにしたものである。

(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る突起の高さ測定方法において、
ワーク表面上に複数の突起が存在する場合に、直径母線認識段階で、個々の突起対応像についての長さＤ，Ｌを認識するとともに、所定の特徴点についての位置座標を認識するようにし、各突起の位置と高さとを測定するようにしたものである。

(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る突起の高さ測定方法において、
撮像段階で、ワーク表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面上に突起対応像を得るようにし、
高さ演算段階で、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式を用いて、突起の高さｈを求めるようにしたものである。

(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る突起の高さ測定方法において、
撮像段階で、ワーク表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面を定義し、この投影面上に撮像画素を二次元配列してなるエリアセンサを用いて撮像を行うようにしたものである。

(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る突起の高さ測定方法において、
撮像段階で、ワーク表面に対して平行な投影面上に、突起を仰角θの方向に投影することにより突起対応像を得るようにし、
高さ演算段階で、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２）・tanθなる式を用いて、突起の高さｈを求めるようにしたものである。

(9) 本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係る突起の高さ測定方法において、
撮像段階で、ワーク表面に対して平行な投影面を定義し、この投影面上に画素を一次元配列してなるラインセンサを用意し、このラインセンサもしくはワークを投影面に沿って移動させることにより撮像を行うようにしたものである。

(10) 本発明の第１０の態様は、ワーク表面に形成された突起の高さを測定する突起の高さ測定装置において、
ワーク表面上の撮像対象領域を仰角θの方向から撮像する撮像カメラと、
撮像対象領域がワーク表面上で移動するように、撮像カメラを走査する走査部と、
撮像対象領域を照明するための照明部と、
撮像カメラ、走査部、照明部を制御するとともに、測定に必要な処理を実行する制御処理装置と、
を設け、制御処理装置に、
撮像カメラ、走査部、照明部を制御することにより、測定対象となる突起についての突起対応像を含む平面画像を撮像する撮像処理と、
撮像処理により得られた平面画像に基づいて、突起対応像の輪郭線を抽出する輪郭線抽出処理と、
測定対象となる突起が円錐形であるとの仮定の下に、輪郭線の情報に基づいて、突起対応像上の突起の底面直径部分に対応する部分を直径対応部と認識するとともに、突起対応像上の突起の母線部分に対応する部分を母線対応部と認識し、直径対応部の長さＤと母線対応部の長さＬとを求める直径母線認識処理と、
仰角θ、直径対応部の長さＤ、母線対応部の長さＬに基づいて、突起の高さｈを演算する高さ演算処理と、
を実行する機能をもたせるようにしたものである。

(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る突起の高さ測定装置において、
輪郭線抽出処理を、撮像段階により得られた平面画像を二値化し、画素値の変化する部分を境界線として認識するか、もしくは、撮像段階により得られた平面画像を微分し、画素値が極大値をとる部分を境界線として認識することにより実行するようにしたものである。

(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第１０または第１１の態様に係る突起の高さ測定装置において、
直径母線認識処理を、突起対応像の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、突起対応像の縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識することにより実行するようにしたものである。

(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１０〜第１２の態様に係る突起の高さ測定装置において、
個々の突起対応像についての長さＤ，Ｌを認識するとともに、所定の特徴点についての位置座標を認識する機能をもたせ、各突起の位置と高さとを測定することができるようにしたものである。

(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１０〜第１３の態様に係る突起の高さ測定装置において、
ワーク表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面上に、撮像画素を二次元配列することにより構成されたエリアセンサによって撮像カメラを構成し、
制御処理装置に、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式を用いて、突起の高さｈを求める処理を行わせるようにしたものである。

(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１０〜第１３の態様に係る突起の高さ測定装置において、
ワーク表面に対して平行になるように一次元に配列され、かつ、突起を仰角θの方向から撮像することができる撮像画素により構成されたラインセンサによって撮像カメラを構成し、
走査部に、ラインセンサもしくはワークをワーク表面に対して平行な投影面に沿って走査する機能をもたせ、
制御処理装置に、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２）・tanθなる式を用いて、突起の高さｈを求める処理を行わせるようにしたものである。

(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１０〜第１５の態様に係る突起の高さ測定装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムを用意し、このプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録するようにしたものである。

本発明に係る突起の高さ測定方法および測定装置によれば、多数の突起の高さを高速に測定することが可能になる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係る突起の高さ測定方法の基本手順を示す流れ図である。図示のとおり、この測定方法は、ステップＳ１の撮像段階、ステップＳ２の輪郭線抽出段階、ステップＳ３の直径母線認識段階、ステップＳ４の高さ演算段階の４つの段階から構成される。ここで、ステップＳ１の撮像段階は、撮像カメラを用いて物理的な撮像を行う処理であるのに対して、ステップＳ２〜Ｓ４の処理は、コンピュータによって実行される画像処理や演算処理になる。以下、これら各段階の内容を順に説明する。

まず、ステップＳ１の撮像段階は、測定対象となる突起を含むワーク表面上の所定領域を仰角θの方向から撮像し、突起対応像を含む平面画像を得る段階である。本発明は、ワーク表面に形成された突起の高さを測定する高さ測定方法であるが、この撮像段階では、ワーク表面に対して仰角θをなす方向から、突起の撮像が行われることになる。

図２は、この撮像段階の概念を示す側面図である。図では、便宜上、ワーク１００の上面に合計７本の突起１１０が形成されている状態が示されているが、実際の回路基板やＢＧＡなどでは、より多数の突起（バンプ）が二次元的に配置されていることになる。ワーク１００の斜め上方には、このワーク１００の表面上の所定領域を、仰角θの方向から撮像することができる撮像カメラ２００が配置されている。図に示す破線は、この撮像カメラ２００の撮像面の中心位置に立てた法線方向を示しており、ワーク１００の表面に対して仰角θをなしている。こうして、撮像カメラ２００の撮像面には、突起に対応する像（以下、単に突起対応像という）を含む平面画像が得られる。

図３は、撮像カメラ２００によって撮像された平面画像を示す平面図である。図にハッチングを施して示す扇型の領域は、いずれも個々の突起に対応する突起対応像１１５である。通常、ワーク１００と突起１１０とは、異なる素材によって構成されており、ワーク１００の表面と突起１１０の表面とは色彩や階調が異なるため、図３に示す平面画像上において、突起対応像１１５の部分を識別することができる。図３には、撮像カメラ２００の視野内に合計１２個の突起対応像１１５が、それぞれ別個独立した扇型領域として存在する例が示されている。

なお、本発明を実施する上では、図２に示す仰角θに下限および上限を設けておくのが好ましい。仰角θの下限値θ１は、ワーク１００の表面上に複数の突起１１０が存在する場合に、複数の突起対応像１１５が互いに重なりを生じる臨界角度として定義される。図４は、この下限値θ１を示す側面図である。図示のとおり、隣接する一対の突起１１０ａと１１０ｂについて、突起１１０ａの底面の輪郭位置と突起１１０ｂの頂点位置とを結ぶ破線が、ワーク１００の表面となす角度が下限値θ１に相当する。撮像段階における仰角θがこれ以下になると、突起１１０ａの対応像と突起１１０ｂの対応像とが重なりを生じてしまうため、個々の突起対応像１１５を個別の領域として認識することができなくなる。

もちろん、複数の突起対応像１１５に重なりが生じていたとしても、ステップＳ２の輪郭線抽出段階において、所定のアルゴリズムに基づく処理を実施することにより、個々の突起対応像１１５の輪郭を抽出することも可能であるが、演算処理負担を軽減する上では、撮像段階において、図３に示すように、個々の突起対応像１１５がそれぞれ別個独立した領域となっているのが好ましい。仰角θの下限値θ１は、このような理由から設定される下限値である。

一方、仰角θの上限値θ２は、個々の突起１１０を円錐と仮定したときに、突起１１０を構成する円錐の母線とワーク１００の表面とのなす角度として定義される。図５は、この上限値θ２を示す側面図である。撮像段階における仰角θがこれ以上になると、突起１１０の頂点部分が、突起対応像１１５の内部に埋もれてしまい、突起対応像１１５から突起１１０の頂点位置に対応する点を認識することができなくなってしまう。別言すれば、仰角θが、この上限値以下であれば、突起１１０の頂点位置に対応する点が突起対応像１１５の輪郭線上に現れるため、これを認識することが可能になる。後述するように、突起１１０の頂点位置に対応する点は、母線対応部を認識する上で重要な役割を果たす。図３に示す例の場合、いずれの突起対応像１１５についても、扇型の尖点として、突起１１０の頂点位置に対応する点を認識することができる。

結局、ステップＳ１の撮像段階における仰角θは、θ１＜θ＜θ２なる範囲に設定すればよい。なお、測定精度を向上させるという観点からは、仰角θはできるだけ小さく設定するのが好ましい。これは、仰角θを小さくすればするほど、突起対応像１１５は細長くなり、母線対応部が長くなり、解像度が向上することになるためである。もっとも、実際の仰角θは、測定対象となる突起１１０の寸法、形状、密度および撮像カメラの物理的な配置を考慮して、θ１＜θ＜θ２なる範囲内の最適値に設定すればよい。

続くステップＳ２の輪郭線抽出段階は、撮像段階により得られた平面画像に基づいて、突起対応像１１５の輪郭線を抽出する処理を実行させる段階である。この処理は、実際には、コンピュータによって実行されるので、撮像段階で得られた図３に示すような平面画像は、デジタル画像データとしてコンピュータに入力されることになる。

前述したとおり、ワーク１００の表面と突起１１０の表面とは色彩や階調が異なるため、図３に示す平面画像上において、突起対応像１１５の内部の部分と、外部の部分とでは、画素値の特徴に違いが生じることになる。また、ワーク１００の表面と突起１１０の表面との色彩や階調が類似している場合であっても、突起１１０の輪郭部分には影が生じるため、やはり輪郭部分において、画素値の特徴に相違が生じる。そこで、この輪郭線抽出段階では、撮像段階により得られた平面画像を二値化処理し、画素値の変化する部分を境界線として認識する方法をとることができる。あるいは、別な手法として、撮像段階により得られた平面画像を微分処理し、画素値が極大値をとる部分を境界線として認識する方法をとることも可能である。もちろん、輪郭線の抽出方法は、これらの方法に限定されるものではなく、この他の方法をとってもかまわない。

図６は、１つの突起対応画像１１５について、輪郭線抽出処理を施した状態を示す平面図である。図示の例では、突起対応画像１１５について、３つの輪郭線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が抽出されており、その結果、３つの点Ｑ０，Ｑ１，Ｑ２が認識されている。ステップＳ２の輪郭線抽出段階では、図３に示すような平面画像上の各突起対応画像１１５について、それぞれ輪郭線の抽出が行われる。このように、画像上に存在する複数のオブジェクトの位置、形状、大きさなどを認識し、それぞれにユニークなコードを付して識別可能にする処理は、一般にラベリング処理と呼ばれている公知の処理である。したがって、ここでは、この輪郭線抽出段階における個々の突起対応画像１１５の輪郭線を認識する具体的なアルゴリズムの説明は省略する。

次に、ステップＳ３の直径母線認識段階では、測定対象となる突起１１０が円錐形であるとの仮定の下に、上述の輪郭線抽出段階で抽出された輪郭線の情報に基づいて、各突起対応像１１５上の「突起１１０の底面直径部分に対応する部分」を直径対応部と認識するとともに、突起対応像１１５上の「突起の母線部分に対応する部分」を母線対応部と認識させ、直径対応部の長さＤと母線対応部の長さＬとを求める処理が実行される。もちろん、この処理も、実際にはコンピュータによる処理として実行される。

なお、本発明における測定方法は、測定対象となる突起が円錐形であるとの仮定を前提としているので、以下、ワーク１００上に形成された突起１１０が完全な円錐形をしているという仮定の下で、説明を続けることにする。

図７は、この直径母線認識段階で行われる認識処理の概念を示す平面図である。図示の扇型は、図６に示す突起対応像１１５と同一の図形である。ここで、突起１１０が完全な円錐であるとすると、輪郭線Ｃ１，Ｃ２は円錐の母線に対応し、輪郭線Ｃ３は円錐の底面の円周部分に対応することになる。したがって、図の輪郭線上の点Ｑ１，Ｑ２を結ぶ線分１１６は、「突起１１０の底面直径部分に対応する部分」（以下、直径対応部１１６と呼ぶ）ということになる。また、この線分１１６の中点Ｑ３を通り、図の尖点Ｑ０と輪郭線Ｃ３上の点Ｑ４を結ぶ線分１１７は、輪郭線Ｃ１，Ｃ２と同様に、円錐の母線に対応する。すなわち、点Ｑ０，Ｑ４を結ぶ線分１１７は、「突起の母線部分に対応する部分」（以下、母線対応部１１７と呼ぶ）ということになる。

ステップＳ３の直径母線認識段階では、各突起対応像１１５について、それぞれ直径対応部１１６および母線対応部１１７を認識し、その長さＤおよびＬを求める処理が実行される。もっとも、長さＤおよびＬを求める処理は、比較的単純な処理によって行うことができる。すなわち、実際には、突起対応像１１５の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識すればよい。

撮像段階において、図２に示すように、仰角θの方向に撮像カメラ２００を設置して突起１１０の像を撮像すれば（別言すれば、視野内のすべての部分が仰角θの方向に向かって結像するようにすれば）、図７に示すように、突起対応像１１５の横方向の最大幅が直径対応部の長さＤになり、縦方向の最大幅が母線対応部の長さＬになる。したがって、輪郭線抽出段階によって、輪郭線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が抽出され、突起対応像１１５が閉領域として認識可能な状態になっていれば、各点Ｑ０，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４を認識する必要はなく、この閉領域の横方向の最大幅と縦方向の最大幅とを求めれば、直径対応部の長さＤおよび母線対応部の長さＬを得ることができる。

なお、実用上は、多数の突起対応像１１５について、それぞれ位置を併せて認識しておく必要がある。たとえば、尖点Ｑ０などを特徴点として認識し、その位置座標を認識する処理を行うようにすればよい。結局、図３に示す例のように、合計１２個の突起対応像１１５が存在する平面画像が得られた場合、この１２個の突起対応像１１５のそれぞれについて、尖点Ｑ０などの特徴点の座標値（ｘ，ｙ）と、直径対応部の長さＤと、母線対応部の長さＬと、が求められることになる。

最後に、ステップＳ４の高さ演算段階では、撮像段階における撮像時の仰角θおよび直径母線認識段階で得られた長さＤ，Ｌに基づいて、突起１１０の高さｈを求める演算が実行される。図７に示す直径対応部１１６の長さＤは、実際の突起１１０の底面の直径に等しくなるが、母線対応部１１７の長さＬは仰角θに依存するので、実際の突起１１０の母線の長さに等しくはならない。図８は、このような点を考慮した演算の原理を示す側面図である。

前述したように、撮像段階では、仰角θの方向に撮像カメラ２００を設置して、突起１１０の像を撮像することになる。これは、ワーク１００の表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面２１０を定義し、この投影面２１０上に突起１１０の投影像を形成することと同義である。したがって、図３に示す平面画像は、投影面２１０上に形成された投影像に相当する。そこで、この図８を参照しながら、直径母線認識段階で得られた直径対応部の長さＤおよび母線対応部の長さＬと、実際の突起１１０の高さｈとの幾何学的関係を考えてみよう。

まず、図示のとおり、母線対応部の長さＬを２つの区間ａ，ｂに分けて考える。当然、Ｌ＝ａ＋ｂである。ここで、ａとｈとの関係は、ａ＝ｈcosθである。また、実際の突起１１０の底面を構成する円の半径をｒとすると、ｂ＝ｒsinθである。直径対応部の長さＤは、実際の突起１１０の直径に等しいので、ｒ＝Ｄ／２になる。したがって、Ｌ＝ｈcosθ＋Ｄ／２・sinθなる式が導かれるので、これを整理すると、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式が得られることになる。結局、高さ演算段階では、個々の突起対応像１１５について得られた直径対応部の長さＤおよび母線対応部の長さＬと、撮影段階での仰角θとに基づいて、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式により、各突起１１０の高さｈを求めることができる。

図９は、上述のような原理に基づいて突起の高さを測定する測定装置の基本構成を示すブロック図である。図示のとおり、この測定装置は、撮像カメラ３１０、走査部３２０、照明部３３０、制御処理装置３４０によって構成されている。

ここで、撮像カメラ３１０は、ワーク１００の表面上の撮像対象領域を仰角θの方向から撮像する機能をもったカメラであり、図２に示す撮像カメラ２００に対応するものである。また、走査部３２０は、撮像カメラ３１０の撮像対象領域が、ワーク１００の表面上で移動するように、撮像カメラ３１０を走査する機能を有する。

本発明の原理上、この走査部３２０は必須のものではない。すなわち、撮像カメラ３１０を走査しなくても、その視野（撮像対象領域）内に得られた突起対応像１１５については、高さを求める処理が可能である。したがって、たとえば、図３に示す例のように、視野内に合計１２個の突起対応像１１５が得られる場合、１２個の突起についての高さ測定を行うことが可能である。しかしながら、実用上は、走査部３２０により、撮像カメラ３１０を走査できるようにしておき、撮像カメラ３１０の視野よりも広い領域について測定を行うことができるようにするのが好ましい。

照明部３３０は、撮像対象領域を照明するための構成要素である。もちろん、自然光などを利用して測定を行うことにすれば、この照明部３３０を設けなくても本発明を実施することは可能であるが、実用上は、最良の照明環境で撮像が可能になるように、照明部３３０を設けるのが好ましい。特に、走査部３２０の走査に応じて、照明部３３０の照明対象領域も移動するような構成にしておくのが望ましい。

制御処理装置３４０は、撮像カメラ３１０、走査部３２０、照明部３３０を制御するとともに、測定に必要な処理を実行する機能をもった構成要素であり、実際には、コンピュータに所定のプログラムを組み込むことによって実現される。図示のとおり、この制御処理装置３４０には、撮像処理、輪郭線抽出処理、直径母線認識処理、高さ演算処理という４つの機能が備わっている。

ここで、撮像処理は、図１の流れ図におけるステップＳ１の撮像段階を実行するための処理であり、具体的には、撮像カメラ３１０、走査部３２０、照明部３３０を制御することにより、測定対象となる突起１１０についての突起対応像１１５を含む平面画像を撮像する処理である。

輪郭線抽出処理は、ステップＳ２の輪郭線抽出段階を実行するための処理であり、撮像処理により得られた平面画像に基づいて、突起対応像１１５の輪郭線を抽出する作業が行われる。具体的には、撮像処理により得られた平面画像を二値化し、画素値の変化する部分を境界線として認識する作業が行われる点は、既に述べたとおりである。

直径母線認識処理は、ステップＳ３の直径母線認識段階を実行するための処理であり、測定対象となる突起１１０が円錐形であるとの仮定の下に、輪郭線の情報に基づいて、突起対応像１１５上で直径対応部および母線対応部を認識し、長さＤおよびＬを求める処理である。実際には、突起対応像１１５の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、突起対応像の縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識する作業が行われることは、既に述べたとおりである。また、実際には、個々の突起対応像１１５について、所定の特徴点の位置座標の認識も行われることになる。

最後の高さ演算処理は、ステップＳ４の高さ演算段階を実行するための処理であり、仰角θ、直径対応部の長さＤ、母線対応部の長さＬに基づいて、各突起１１０の高さｈを求める処理である。具体的には、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式により、高さｈが求められることは、既に述べたとおりである。

ところで、図８に示す投影面２１０上に、突起１１０の投影像を得るための撮像を行う具体的な方法としては、エリアセンサを用いる方法とラインセンサを用いる方法がある。エリアセンサを用いる場合には、投影面２１０上に撮像画素を二次元配列してなるエリアセンサを用いて撮像を行えばよい。別言すれば、撮像面が投影面２１０に一致するようなエリアセンサを備えた撮像カメラ３１０で撮像を行えばよい。

一方、ラインセンサを用いる場合は、図８に示す投影面２１０上に画素を一次元配列してなるラインセンサを用意し、このラインセンサを投影面２１０に沿って移動させることにより撮像を行うようにすればよい。

具体的には、たとえば、図８の点Ｐ１の位置において、紙面に対して直交する垂直線分を立て、この垂直線分上に撮像画素を一次元配列したラインセンサを用意する。このラインセンサが図の点Ｐ１の位置にあるときには、突起１１０の頂点付近の撮像しか行うことができないが、このラインセンサを、投影面２１０に沿って、点Ｐ１の位置から点Ｐ２の位置まで移動させれば、突起１１０を頂点から底部まで走査することが可能になる。

図１０は、撮像カメラ３１０として、ラインセンサを有するカメラを用いた実施例の斜視図である。撮像カメラ３１０とワーク１００との相対位置は、移動ステージ３２１、Ｙ軸方向走査手段３２２、Ｘ軸方向走査手段３２３によって変化させることができる。Ｙ軸方向走査手段３２２は、移動ステージ３２１を図のＹ軸方向に移動させるための構成要素であり、Ｘ軸方向走査手段３２３は、撮像カメラ３１０を図のＸ軸方向に移動させるための構成要素である。移動ステージ３２１上にワーク１００を載置固定すれば、Ｘ軸方向走査手段３２３により、撮像カメラ３１０をワーク１００に対してＸ軸方向（主走査方向）に走査することができ、また、Ｙ軸方向走査手段３２２により、撮像カメラ３１０をワーク１００に対してＹ軸方向（副走査方向）に走査することができる。結局、図１０に示す移動ステージ３２１、Ｙ軸方向走査手段３２２、Ｘ軸方向走査手段３２３は、図９のブロック図における走査部３２０として機能する。

ワーク１００上にＥなる符号で示した線分は、撮像カメラ３１０内のラインセンサの視野領域を示している。上述した主走査および副走査を行うことにより、この視野領域Ｅをワーク１００の全領域に移動させることができ、ワーク１００の全面に対する走査が可能になる。また、撮像カメラ３１０には、照明部３３０が取り付けられている。この照明部３３０は、撮像カメラ３１０と一緒に移動することになり、常に、視野領域Ｅを照明するように配置されている。照明部３３０の具体的な構成は、ライン照明、リング照明、ドーム照明など、突起１１０の影ができにくく、ワーク１００の表面と突起１１０とでコントラストが得られるものにするのが好ましい。なお、撮像カメラ３１０の向きは、必要に応じて調節することができるようにしておき、ワーク１００に応じて、撮像時の仰角θを最適値に調節できるようにしておくのが望ましい。

制御処理装置３４０は、図９のブロック図に示すものと同じ構成要素であり、上記走査を制御するとともに、必要な演算や処理を実行するコンピュータである。このコンピュータには、前述した各処理を実行するためのプログラムが組み込まれている。

ところで、この図１０に示す実施例では、図８に示す原理とは、若干異なる原理で撮像が行われている。すなわち、ラインセンサを用いて、図８に示す原理で撮像を行うためには、前述したとおり、ラインセンサを点Ｐ１から点Ｐ２まで、投影面２１０に沿って移動させる必要がある。ところが、図１０に示す測定装置には、ラインセンサを内蔵した撮像カメラ３１０を、ワーク１００に対して相対的にＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる機構が備わっているだけであり、図８に示す投影面２１０に沿って移動させる機構は備わっていない。もちろん、投影面２１０に沿って移動させる機構を設けることは可能であるが、現実的には、そのような機構はかなり複雑になり、あまり実用的ではない。

結局、図１０に示す測定装置の場合、撮像カメラ３１０は、図１１の側面図に示すように、ワーク１００の表面に対して平行な平面（ＸＹ平面）に沿って移動する機能しか有していないことになる。もっとも、撮像方向は、図に破線で示すとおり斜め下方に向けられており、線分状の視野領域Ｅは、上方に位置する照明部３３０による照明を受けながら、仰角θをもった方向に撮像されることになる。

図１２は、図１０に示す測定装置により撮像を行った場合の突起１１０の高さｈを求める演算の原理を示す側面図である。図１２に示す投影面２１０は、図８に示す投影面２１０に相当するものであるが、図１０に示す測定装置において、撮像カメラ３１０をＸ軸方向およびＹ軸方向に走査して得られた平面画像は、この投影面２１０上の投影像にはならずに、ワーク１００の表面に平行な平面からなる投影面２２０上の投影像になる。別言すれば、撮像カメラ３１０に内蔵されているラインセンサは、この投影面２２０上に撮像画素を一次元配列した構成となっており、しかも、このラインセンサは、投影面２２０に沿ってＹ軸方向およびＸ軸方向（図１２の紙面に垂直な方向）に移動させられることになる。

たとえば、図１２の点Ｐ１の位置において、紙面に対して直交する垂直線分を立て、この垂直線分上に画素を一次元配列したラインセンサを用意する。このラインセンサが図の点Ｐ１の位置にあるときには、突起１１０の頂点付近の撮像しか行うことができないが、このラインセンサを、投影面２２０に沿って、点Ｐ１の位置から点Ｐ３の位置まで移動させれば、突起１１０を頂点から底部まで走査することが可能になる。図１０に示す測定装置は、このような原理により、撮像カメラ３１０内のラインセンサを走査するものである。

このような原理でラインセンサの走査を行って撮像される突起対応像１１５は、結局、突起１１０を仰角θの方向に向かって、投影面２２０上に投影することにより得られる投影像ということになる。ちなみに、このようなラインセンサの走査によって投影面２２０上に得られる投影像は、投影面２２０を撮像面とするエリアセンサによって得られる投影像とは異なる。なぜなら、後者は、ワーク１００上の突起１１０を垂直上方に投影することによって得られる像であるのに対して、前者は、ワーク１００上の突起１１０を仰角θ方向に投影することによって得られる像であるためである。

結局、図１０に示す装置により撮像された突起対応像１１５の母線対応部の長さＬは、図１２に示す投影面２２０上の点Ｐ１〜Ｐ３の距離ということになる。このように、図８に示す原理で撮像を行った場合、母線対応部の長さＬが投影面２１０上の点Ｐ１〜Ｐ２の距離になるのに対し、図１２に示す原理で撮像を行った場合には、母線対応部の長さＬが投影面２２０上の点Ｐ１〜Ｐ３の距離になる点は留意すべきである。これは、図８に示す原理での撮像は、突起１１０を投影面２１０に投影しているのに対し、図１２に示す原理での撮像は、突起１１０を投影面２２０に投影していることを考慮すれば、当然のことである。

したがって、図１０に示す装置では、高さ演算処理に用いる式を若干変更する必要がある。図１２において、点Ｐ１〜Ｐ２の距離ＬＬは、図８の距離Ｌに相当するものであるから、前掲の式ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθにおける変数Ｌを変数ＬＬに置き換えることにより、図１２においては、ｈ＝（ＬＬ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式が成り立つことになる。ここで、図より明らかなとおり、ＬＬ＝Ｌ・sinθであるから、ｈ＝（Ｌ・sinθ−Ｄ／２・sinθ）／cosθとなり、これを整理すると、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２）・tanθなる式が導かれる。結局、図１０に示す装置のように、ワーク１００の表面に対して平行になるように一次元に配列され、かつ、突起１１０を仰角θの方向から撮像することができる撮像画素により構成されたラインセンサを有し、このラインセンサを、ワーク１００の表面に平行な投影面２２０に沿って走査するタイプの測定装置の場合には、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２）・tanθなる式により、突起１００の高さｈを演算すればよいことになる。

なお、ラインセンサを走査したり、エリアセンサを用いて撮像を行った場合、得られる平面画像は、画素の二次元配列からなる画像データを構成することになり、直径対応部の長さＤや母線対応部の長さＬは、実寸ではなく、画素数として求められることになる。このような画素数を実寸に変換するには、画素配列のピッチを乗じる演算を行えばよい。ここで、画素配列のピッチは、用いるセンサを構成する撮像画素の縦横の幅によって定められる。たとえば、図１３に示すようなラインセンサの場合、横の寸法がｍ（Ｘ軸方向の寸法）、縦の寸法がｎ（Ｙ軸方向の寸法）となっており、副走査時には、Ｙ軸方向にピッチｎ単位で移動させることになる。したがって、得られる画像データを構成する画素配列の横方向ピッチ（Ｘ軸方向ピッチ）はｍ、縦方向ピッチ（Ｙ軸方向ピッチ）はｎになる。このため、横方向の画素数がｘ画素の区間の実寸はｍ×ｘとして求まり、縦方向の画素数がｙ画素の区間の実寸はｎ×ｙとして求まる。これはエリアセンサの場合も同様である。

結局、センサを構成する撮像画素の横方向の幅をｍ、縦方向の幅をｎとし、投影面上に、ｍ×ｎのサイズをもった画素の二次元配列からなる突起投影像が得られた場合、この突起対応像の横方向の最大幅に相当する画素数ｘおよび縦方向の最大幅に相当する画素数ｙを計数すれば、直径対応部の長さＤは、Ｄ＝ｍ×ｘなる演算により求められ、母線対応部の長さＬは、Ｌ＝ｎ×ｙなる演算により求められることになる。もちろん、センサの手前に光学系を配置し、撮像時に像を光学的に拡大もしくは縮小した場合には、当該倍率を乗じる補正を行う必要がある。

以上、本発明を図示する実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。たとえば、上述の実施例では、走査部３２０が、撮像カメラ３１０を移動させることにより走査を行っていたが、撮像カメラ３１０をワーク１００に対して移動させることは、ワーク１００を撮像カメラ３１０に対して移動させることと等価である。したがって、撮像カメラ３１０を移動させる代わりに、ワーク１００側を移動させることにより走査を行うようにしてもかまわない。

また、本発明の基本原理は、測定対象となる突起が円錐形であるとの仮定に基づくものであるが、実用上は、必ずしも円錐状の突起に対する測定のみに限定されるものではない。たとえば、突起形状が、四角錐状の場合には、四角錐の正面方向から撮像を行うようにすれば、前述した手法と全く同じ手法が適用可能である。また、半球状の突起などについても、ある程度の誤差が生じることが許容できるのであれば、本発明の測定方法を適用することが可能である。この場合も、突起対応像の横方向の最大幅をＤ、縦方向の最大幅をＬとして、前掲の式を適用して高さｈを求めればよい。

本発明に係る突起の高さ測定方法の基本手順を示す流れ図である。 本発明に係る測定方法における撮像段階の概念を示す側面図である。 図２に示す撮像カメラ２００によって撮像された平面画像の一例を示す平面図である。 図２に示す撮像段階における仰角θの下限値θ１を示す側面図である。 図２に示す撮像段階における仰角θの上限値θ２を示す側面図である。 １つの突起対応画像１１５について、輪郭線抽出処理を施した状態を示す平面図である。 １つの突起対応画像１１５について、直径対応部および母線対応部を認識する概念を示す平面図である。 撮像段階における撮像時の仰角θおよび直径母線認識段階で得られた長さＤ，Ｌに基づいて、突起１１０の高さｈを求める演算の原理を示す側面図である。 本発明に係る突起の高さ測定装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明に係る突起の高さ測定装置の具体的な実施例の構成を示す斜視図である。 図１０に示す測定装置における撮像カメラ３１０の走査状態を示す側面図である。 図１０に示す測定装置における撮像時の仰角θおよび直径母線認識段階で得られた長さＤ，Ｌに基づいて、突起１１０の高さｈを求める演算の原理を示す側面図である。 一般的なラインセンサの画素ピッチを示す平面図である。

符号の説明

１００…ワーク
１１０…突起
１１０ａ，１１０ｂ…突起
１１５…突起対応像
１１６…直径対応部
１１７…母線対応部
２００…撮像カメラ
３１０…撮像カメラ
３２０…走査部
３２１…移動ステージ
３２２…Ｙ軸方向走査手段
３２３…Ｘ軸方向走査手段
３３０…照明部
３４０…制御処理装置
Ｃ１〜Ｃ３…輪郭線
Ｄ…直径対応部の長さ
Ｅ…視野領域
ｈ…突起の高さ
Ｌ…母線対応部の長さ
ｍ…ラインセンサを構成する画素の横幅
ｎ…ラインセンサを構成する画素の縦幅
Ｐ１〜Ｐ３…幾何学上の点
Ｑ０〜Ｑ４…突起対応像上の点
ｒ…円錐の半径
Ｓ１〜Ｓ４…流れ図の各ステップ
θ…撮像時の仰角
θ１…仰角θの下限値
θ２…仰角θの上限値

Claims (16)

1. ワーク表面に形成された突起の高さを測定する方法であって、
   測定対象となる突起を含むワーク表面上の所定領域を仰角θの方向から撮像し、突起対応像を含む平面画像を得る撮像段階と、
   コンピュータに、前記撮像段階により得られた平面画像に基づいて、前記突起対応像の輪郭線を抽出する処理を実行させる輪郭線抽出段階と、
   測定対象となる突起が円錐形であるとの仮定の下に、コンピュータに、前記輪郭線の情報に基づいて、前記突起対応像上の前記突起の底面直径部分に対応する部分を直径対応部と認識させるとともに、前記突起対応像上の前記突起の母線部分に対応する部分を母線対応部と認識させ、前記直径対応部の長さＤと前記母線対応部の長さＬとを求める処理を実行させる直径母線認識段階と、
   コンピュータに、前記仰角θ、前記直径対応部の長さＤ、前記母線対応部の長さＬに基づいて、前記突起の高さｈを演算する処理を実行させる高さ演算段階と、
   を有することを特徴とする突起の高さ測定方法。
2. 請求項１に記載の突起の高さ測定方法において、
   ワーク表面上に複数の突起が存在する場合に、撮像段階で、複数の突起対応像が互いに重なりを生じる仰角θの臨界角度をθ１とし、突起を構成する円錐の母線とワーク表面とのなす角度をθ２としたときに、撮像段階における仰角θを、θ１＜θ＜θ２なる範囲に設定することを特徴とする突起の高さ測定方法。
3. 請求項１または２に記載の突起の高さ測定方法において、
   輪郭線抽出段階で、撮像段階により得られた平面画像を二値化処理し、画素値の変化する部分を境界線として認識するか、もしくは、撮像段階により得られた平面画像を微分処理し、画素値が極大値をとる部分を境界線として認識することを特徴とする突起の高さ測定方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の突起の高さ測定方法において、
   直径母線認識段階で、突起対応像の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、突起対応像の縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識することを特徴とする突起の高さ測定方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の突起の高さ測定方法において、
   ワーク表面上に複数の突起が存在する場合に、直径母線認識段階で、個々の突起対応像についての長さＤ，Ｌを認識するとともに、所定の特徴点についての位置座標を認識するようにし、各突起の位置と高さとを測定するようにしたことを特徴とする突起の高さ測定方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の突起の高さ測定方法において、
   撮像段階で、ワーク表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面上に突起対応像を得るようにし、
   高さ演算段階で、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式を用いて、突起の高さｈを求めることを特徴とする突起の高さ測定方法。
7. 請求項６に記載の突起の高さ測定方法において、
   撮像段階で、ワーク表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面を定義し、前記投影面上に撮像画素を二次元配列してなるエリアセンサを用いて撮像を行うことを特徴とする突起の高さ測定方法。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載の突起の高さ測定方法において、
   撮像段階で、ワーク表面に対して平行な投影面上に、突起を仰角θの方向に投影することにより突起対応像を得るようにし、
   高さ演算段階で、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２）・tanθなる式を用いて、突起の高さｈを求めることを特徴とする突起の高さ測定方法。
9. 請求項８に記載の突起の高さ測定方法において、
   撮像段階で、ワーク表面に対して平行な投影面を定義し、前記投影面上に画素を一次元配列してなるラインセンサを用意し、このラインセンサまたはワークを前記投影面に沿って移動させることにより撮像を行うことを特徴とする突起の高さ測定方法。
10. ワーク表面に形成された突起の高さを測定する測定装置であって、
    ワーク表面上の撮像対象領域を仰角θの方向から撮像する撮像カメラと、
    前記撮像対象領域が前記ワーク表面上で移動するように、前記撮像カメラを走査する走査部と、
    前記撮像対象領域を照明するための照明部と、
    前記撮像カメラ、前記走査部、前記照明部を制御するとともに、測定に必要な処理を実行する制御処理装置と、
    を備え、前記制御処理装置は、
    前記撮像カメラ、前記走査部、前記照明部を制御することにより、測定対象となる突起についての突起対応像を含む平面画像を撮像する撮像処理と、
    前記撮像処理により得られた平面画像に基づいて、前記突起対応像の輪郭線を抽出する輪郭線抽出処理と、
    測定対象となる突起が円錐形であるとの仮定の下に、前記輪郭線の情報に基づいて、前記突起対応像上の前記突起の底面直径部分に対応する部分を直径対応部と認識するとともに、前記突起対応像上の前記突起の母線部分に対応する部分を母線対応部と認識し、前記直径対応部の長さＤと前記母線対応部の長さＬとを求める直径母線認識処理と、
    前記仰角θ、前記直径対応部の長さＤ、前記母線対応部の長さＬに基づいて、前記突起の高さｈを演算する高さ演算処理と、
    を実行する機能を有することを特徴とする突起の高さ測定装置。
11. 請求項１０に記載の突起の高さ測定装置において、
    輪郭線抽出処理を、撮像処理により得られた平面画像を二値化し、画素値の変化する部分を境界線として認識するか、もしくは、撮像段階により得られた平面画像を微分し、画素値が極大値をとる部分を境界線として認識することにより実行することを特徴とする突起の高さ測定装置。
12. 請求項１０または１１に記載の突起の高さ測定装置において、
    直径母線認識処理を、突起対応像の横方向の最大幅を直径対応部の長さＤと認識し、突起対応像の縦方向の最大幅を母線対応部の長さＬと認識することにより実行することを特徴とする突起の高さ測定装置。
13. 請求項１０〜１２のいずれかに記載の突起の高さ測定装置において、
    個々の突起対応像についての長さＤ，Ｌを認識するとともに、所定の特徴点についての位置座標を認識する機能を有し、各突起の位置と高さとを測定する機能を有することを特徴とする突起の高さ測定装置。
14. 請求項１０〜１３のいずれかに記載の突起の高さ測定装置において、
    撮像カメラが、ワーク表面に対して角度（９０°−θ）で交差する投影面上に、撮像画素を二次元配列することにより構成されたエリアセンサを有し、
    制御処理装置が、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２・sinθ）／cosθなる式を用いて、突起の高さｈを求めることを特徴とする突起の高さ測定装置。
15. 請求項１０〜１３のいずれかに記載の突起の高さ測定装置において、
    撮像カメラが、ワーク表面に対して平行になるように一次元に配列され、かつ、突起を仰角θの方向から撮像することができる撮像画素により構成されたラインセンサを有し、
    走査部が、前記ラインセンサもしくはワークを、ワーク表面に対して平行な投影面に沿って走査する機能を有し、
    制御処理装置が、ｈ＝（Ｌ−Ｄ／２）・tanθなる式を用いて、突起の高さｈを求めることを特徴とする突起の高さ測定装置。
16. 請求項１１〜１５のいずれかに記載の突起の高さ測定装置における制御処理装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムまたはこのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。