JP5709009B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元計測装置に関するものである。

一般に、プリント基板上に電子部品を実装する場合、まずプリント基板上に配設された所定の電極パターン上にクリームハンダが印刷される。次に、該クリームハンダの粘性に基づいてプリント基板上に電子部品が仮止めされる。その後、前記プリント基板がリフロー炉へ導かれ、所定のリフロー工程を経ることでハンダ付けが行われる。昨今では、リフロー炉に導かれる前段階においてクリームハンダの印刷状態を検査する必要があり、かかる検査に際して三次元計測装置が用いられることがある。

近年、光を用いたいわゆる非接触式の三次元計測装置が種々提案されており、例えば、位相シフト法を用いた三次元計測装置に関する技術が提案されている。

当該位相シフト法を利用した三次元計測装置においては、光源と正弦波パターンのフィルタとの組み合わせからなる照射手段により、正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンを被計測物（この場合プリント基板）に照射する。そして、基板上の点を真上に配置した撮像手段を用いて観測する。撮像手段としては、レンズ及び撮像素子等からなるＣＣＤカメラ等が用いられる。この場合、画面上の点Ｐの光の強度Ｉは下式で与えられる。

Ｉ＝ｅ＋ｆ・ｃｏｓφ
［但し、ｅ：直流光ノイズ（オフセット成分）、ｆ：正弦波のコントラスト（反射率）、φ：物体の凹凸により与えられる位相］
このとき、光パターンを移動させて、位相を例えば４段階（φ＋０、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２）に変化させ、これらに対応する強度分布Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をもつ画像を取り込み、下記式に基づいて変調分αを求める。

α＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝
この変調分αを用いて、クリームハンダ等の計測対象上の点Ｐの３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められ、もって計測対象の三次元形状、特に高さが計測される。

しかしながら、実際の計測対象には、高いものもあれば低いものもある。例えば、クリームハンダに関して言えば、薄膜状のものもあれば、円錐台状をなして突起しているものもある。そして、これら計測対象のうち最大の高さに合わせて、照射する光パターンの縞の間隔を広くすると、分解能が粗くなってしまい、計測精度が悪化してしまうおそれがある。一方で、縞の間隔を狭くすることで、精度の向上を図ることはできるものの、計測可能な高さレンジが足りなくなってしまう（縞次数が別のものとなってしまう）おそれがある。

そこで、周期（縞ピッチ）の異なる光パターン、つまり周期の短い光パターンと、周期の長い光パターンとを組み合わせて計測を行う技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、高さ方向の分解能を落とすことなく、計測可能な高さレンジを広げることができる。

特開２００１−１５９５１０号公報

しかしながら、上記従来技術のように光源を１箇所だけに設けた構成では、被計測物（計測対象）に光パターンが照射されない影の部分が生じ得るため、当該部分の適正な計測が行えないおそれがある。

これに対し、仮に２つの光源から周期の異なる光パターンをそれぞれ照射する構成としたとしても、一方の周期の光パターンしか照射されない部分が生じ得るため、当該部分に関しては、上述したような広ダイナミックレンジで高分解能の計測を行うことができないおそれがある。

なお、上記課題は、必ずしもプリント基板上に印刷されたクリームハンダ等の高さ計測に限らず、他の三次元計測装置の分野においても内在するものである。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相シフト法を利用した三次元計測を行うにあたり、より高精度な計測を実現することのできる三次元計測装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

手段１．縞状の光強度分布を有する第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
縞状の光強度分布を有しかつ前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを前記第１位置とは異なる第２位置から被計測物に対し照射可能な第２照射手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
複数通りに位相変化させた前記第１光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
複数通りに位相変化させた前記第２光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
前記第１光パターン及び前記第２光パターンが共に照射される全照射領域に関して、前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記第１光パターン又は前記第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記第１計測値又は前記第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備え、
前記第１照射手段及び前記第２照射手段は、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を挟んで相対向する位置に配置されていることを特徴とする三次元計測装置。

上記手段１によれば、複数通りに位相変化させた第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する。併せて、複数通りに位相変化させた第２周期の第２光パターンを第２位置から被計測物に照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する。そして、第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、被計測物の高さデータとして取得する。これにより、長い周期の第２光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い第１光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、広ダイナミックレンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

但し、第１計測値及び第２計測値を基に被計測物の高さデータを特定するため、第１光パターン又は第２光パターンの一方のみしか照射されない一部照射領域に関しては、データの欠落部分が生じる。

そこで、本手段では、両光パターンが共に照射される全照射領域に関しては、第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する一方、第１光パターン又は第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関しては、前記全照射領域に係る高さデータに基づき補完データを算出した後、これを基に、前記一部照射領域に係る第１計測値又は第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する。

これにより、第１光パターン及び第２光パターンの両者が照射される全照射領域に関しては勿論のこと、両光パターンのうち一方のみが照射される一部照射領域に関しても、より高精度な高さデータを取得することができる。

尚、仮に一部照射領域に含まれる形状が比較的平坦な形状であれば、線形補完等して得た補完データをそのまま、当該一部照射領域に係る高さデータとして採用することも考えられるが、クリームハンダなど計測対象の一部照射領域が必ずしもこのような形状のものばかりではなく、例えば比較的起伏のある凹凸形状となっていることも考えられるため、当該一部照射領域に関しても、実測値（所定の縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータ）をそのまま採用する方が、より真の値に近い値を得ることができる点において好ましい。

また、第１光パターン及び第２光パターンのいずれも照射されない影の部分が生じるおそれを低減し、上記の作用効果をより確実に奏することができる。

手段２．縞状の光強度分布を有する第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
縞状の光強度分布を有しかつ前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを前記第１位置とは異なる第２位置から被計測物に対し照射可能な第２照射手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
複数通りに位相変化させた前記第１光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
複数通りに位相変化させた前記第２光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
前記第１光パターン及び前記第２光パターンが共に照射される全照射領域に関して、前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記第１光パターン又は前記第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記第１計測値又は前記第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備え、
前記第１照射手段及び前記第２照射手段をそれぞれ２つ備えると共に、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を中心に、前記第１照射手段及び前記第２照射手段が９０°間隔で交互に配置されていることを特徴とする三次元計測装置。

上記手段２によれば、例えば上記手段１のように相対向する第１照射手段及び第２照射手段を２組備え、当該各照射手段を、被計測物を中心に９０°間隔で配置した構成に比べ、第１光パターン又は第２光パターンのいずれか一方しか照射されない一部照射領域の割合を極力減らすことができる。結果として、より精度の高い計測を行うことができる。

手段３．縞状の光強度分布を有しかつ周期の異なる複数の光パターンをそれぞれ異なる方向から被計測物に対し照射可能な複数の照射手段と、
前記各光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
複数通りに位相変化させた前記各光パターンをそれぞれ照射して前記撮像手段により撮像された前記各光パターンに係る複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を前記各光パターンに係る計測値として取得する計測値取得手段と、
前記複数の光パターンが全て照射される全照射領域に関して、前記複数の光パターンに係る前記計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記複数の光パターンのうちの一部のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。

上記手段３によれば、周期の異なる複数の光パターンをそれぞれ異なる位置から被計測物に対し照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を各光パターンに係る計測値として取得する。そして、複数の光パターンに係る計測値から特定される高さデータを、被計測物の高さデータとして取得する。これにより、長い周期の光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、広ダイナミックレンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

但し、複数の光パターンに係る計測値を基に被計測物の高さデータを特定するため、複数の光パターンのうちの一部のみしか照射されない一部照射領域に関しては、データの欠落部分が生じる。

そこで、本手段では、複数の光パターンが全て照射される全照射領域に関しては、複数の光パターンに係る計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する一方、複数の光パターンのうちの一部のみが照射される一部照射領域に関しては、前記全照射領域に係る高さデータに基づき補完データを算出した後、これを基に、前記一部照射領域に係る計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する。

これにより、複数の光パターンが全て照射される全照射領域に関しては勿論のこと、複数の光パターンのうちの一部のみが照射される一部照射領域に関しても、より高精度な高さデータを取得することができる。

尚、仮に一部照射領域に含まれる形状が比較的平坦な形状であれば、線形補完等して得た補完データをそのまま、当該一部照射領域に係る高さデータとして採用することも考えられるが、クリームハンダなど計測対象の一部照射領域が必ずしもこのような形状のものばかりではなく、例えば比較的起伏のある凹凸形状となっていることも考えられるため、当該一部照射領域に関しても、実測値（所定の縞次数の計測値に対応する高さデータ）をそのまま採用する方が、より真の値に近い値を得ることができる点において好ましい。

手段４．縞状の光強度分布を有する第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
縞状の光強度分布を有しかつ前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを前記第１位置とは異なる照射方向となる第２位置から被計測物に対し照射可能な第２照射手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
複数通りに位相変化させた前記第１光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
複数通りに位相変化させた前記第２光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
前記第１光パターン及び前記第２光パターンが共に照射される全照射領域に関して、前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記第１光パターン又は前記第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記第１計測値又は前記第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。

手段４によれば、基本的には手段１と同様の作用効果が奏される。

手段５．前記第１照射手段及び前記第２照射手段は、前記撮像手段の撮像方向（略鉛直方向）に沿って視た平面視において、前記被計測物を挟んで相対向する位置に配置されていることを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。

上記手段５によれば、第１光パターン及び第２光パターンのいずれも照射されない影の部分が生じるおそれを低減し、上記手段４の作用効果をより確実に奏することができる。

手段６．前記第１照射手段及び前記第２照射手段をそれぞれ２つ備えると共に、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を中心に、前記第１照射手段及び前記第２照射手段が９０°間隔で交互に配置されていることを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。

上記手段６によれば、例えば上記手段５のように相対向する第１照射手段及び第２照射手段を２組備え、当該各照射手段を、被計測物を中心に９０°間隔で配置した構成に比べ、第１光パターン又は第２光パターンのいずれか一方しか照射されない一部照射領域の割合を極力減らすことができる。結果として、より精度の高い計測を行うことができる。

基板検査装置を模式的に示す概略斜視図である。 基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。 各光パターンによる分解能や計測される高さデータ等との関係を示す図である。 クリームハンダに対し各照明装置から各光パターンを照射した状態を示す側面模式図である。 各光パターンが照射された状態のクリームハンダ及びその周辺部を示す平面模式図である。 図５のＫ−Ｋ線断面における全照射領域の高さデータをプロットした図である。 図５のＫ−Ｋ線断面における一部照射領域に関する補完データをプロットした図である。 図７に示す補完データを基に特定した一部照射領域に係る高さデータをプロットした図である。 図５のＫ−Ｋ線断面における高さデータをプロットした図である。 別の実施形態に係る照明装置の配置構成を示す平面模式図である。 別の実施形態に係る照明装置の配置構成を示す平面模式図である。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における三次元計測装置を具備する基板検査装置１を模式的に示す概略構成図である。同図に示すように、基板検査装置１は、計測対象たるクリームハンダＨ（図４等参照）の印刷されてなる被計測物としてのプリント基板２を載置するための載置台３と、プリント基板２の表面に対し斜め上方から所定の光パターンを照射するための２つの照明装置（第１照射手段としての第１照明装置４Ａ、及び、第２照射手段としての第２照明装置４Ｂ）と、プリント基板２上の前記照射された部分を撮像するための撮像手段としてのカメラ５と、基板検査装置１内における各種制御や画像処理、演算処理を実施するための制御装置６とを備えている。制御装置６が本実施形態における画像処理手段を構成する。

各照明装置４Ａ，４Ｂは、公知の液晶光学シャッターを備えており、プリント基板２に対し、斜め上方から４分の１ピッチづつ位相変化する縞状の光パターンを照射可能となっている。本実施形態では、光パターンが、矩形状のプリント基板２の一対の辺と平行にＸ軸方向に沿って照射されるよう設定されている。つまり、光パターンの縞が、Ｘ軸方向に直交し、かつ、Ｙ軸方向に平行に照射される。

また、各照明装置４Ａ，４Ｂは、カメラ５の撮像方向である略鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って視た平面視（Ｘ−Ｙ平面）において、プリント基板２を挟んで相対向する位置に配置されている。ここで、第１照明装置４Ａが配置された位置が本実施形態における第１位置に相当し、第２照明装置４Ｂが配置された位置が第２位置に相当する。

尚、本実施形態の各照明装置４Ａ，４Ｂは、それぞれ縞ピッチ（周期）の異なる光パターンを照射可能な構成となっている。より詳しくは、第１照明装置４Ａは、周期が６００μｍの第１光パターンを照射し、第２照明装置４Ｂは、周期が８００μｍの第２光パターンを照射する構成となっている。本実施形態では、６００μｍが第１周期に相当し、８００μｍが第２周期に相当する。

これにより、第１光パターンによっては、図３に示すように、計測対象点を例えば「−３００（μｍ）」、「−２００（μｍ）」、「−１００（μｍ）」・・・といったように、「−３００（μｍ）」〜「＋３００（μｍ）」の範囲内にある高さを、「１００（μｍ）」刻みの精度で計測できる。尚、「＋３００（μｍ）」は１つ上の縞次数における「−３００（μｍ）」に相当する。

一方、第２光パターンによっては、計測対象点を例えば「−４００（μｍ）」、「−３００（μｍ）」、「−２００（μｍ）」・・・といったように、「−４００（μｍ）」〜「＋４００（μｍ）」の範囲内にある高さを、「１００（μｍ）」刻みの精度で計測できる。尚、「＋４００（μｍ）」は１つ上の縞次数における「−４００（μｍ）」に相当する。

尚、各照明装置４Ａ，４Ｂにおいて、図示しない光源からの光は光ファイバーにより一対の集光レンズに導かれ、そこで平行光にされる。その平行光が、液晶素子を介して恒温制御装置内に配置された投影レンズに導かれる。そして、投影レンズから４つの位相変化する光パターンが照射される。このように、各照明装置４Ａ，４Ｂに液晶光学シャッターが使用されていることによって、縞状の光パターンを作成した場合に、その照度が理想的な正弦波に近いものが得られ、これにより、三次元計測の計測分解能が向上するようになっている。また、光パターンの位相シフトの制御を電気的に行うことができ、制御系のコンパクト化を図ることができるようになっている。

載置台３には、モータ１５，１６が設けられており、該モータ１５，１６が制御装置６により駆動制御されることによって、載置台３上に載置されたプリント基板２が任意の方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）へスライドさせられるようになっている。

カメラ５は、レンズや撮像素子等からなる。撮像素子としては、ＣＣＤセンサを採用している。勿論、撮像素子はこれに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳ等を採用してもよい。

次に、制御装置６の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置６は、基板検査装置１全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース２１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置２２、ＣＲＴや液晶などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置２３、カメラ５による撮像に基づく画像データを記憶するための画像データ記憶装置２４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置２５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置２６を備えている。なお、これら各装置２２〜２６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース２１に対し電気的に接続されている。

以下、制御装置６にて実行される三次元計測の処理内容を説明する。制御装置６は、まずモータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を移動させ、カメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアＥに合わせる。なお、検査エリアＥは、カメラ５の視野の大きさを１単位としてプリント基板２の表面を予め分割しておいた中の１つのエリアである。

ここで、制御装置６は、第１照明装置４Ａを駆動制御して第１光パターン（周期６００μｍ）の照射を開始させると共に、この第１光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第１光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、カメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリアＥ部分を撮像し、４画面分の画像データを得る。

制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、背景技術においても説明した公知の位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、当該計測値を第１計測値として記憶する。当該処理が本実施形態における第１計測値取得手段の機能を構成する。

続いて、制御装置６は、第２照明装置４Ｂを駆動制御して第１光パターンよりも周期の長い第２光パターン（周期８００μｍ）の照射を開始させると共に、この第２光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第２光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、カメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリアＥ部分を撮像し、４画面分の画像データを得る。

制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、上記同様、公知の位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、当該計測値を第２計測値として記憶する。当該処理が本実施形態における第２計測値取得手段の機能を構成する。

次に、制御装置６は、検査エリアＥのうち、第１光パターン及び第２光パターンが共に照射され、上記第１計測値及び第２計測値の両者を取得できた全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２（図４，５参照）に関して、当該第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に係る高さデータとして取得する。当該処理が本実施形態における第１高さデータ取得手段の機能を構成する。図４は、計測対象となるクリームハンダＨに対し各照明装置４Ａ，４Ｂから各光パターンを照射した状態を示す側面模式図であり、図５は、各光パターンが照射された状態のクリームハンダＨ及びその周辺部を示す平面模式図である。

図３に例示した対応表からも明らかなように、所定の計測対象点に関し、第１計測値として得られた値が例えば「＋１００（μｍ）」であった場合には、当該計測対象点の高さデータの候補は、縞次数［１］の「＋１００（μｍ）」、縞次数［２］の「＋７００（μｍ）」、又は縞次数［３］の「＋１３００（μｍ）」となる。

ここで、同一の計測対象点につき、第２計測値として得られた値が例えば「−１００（μｍ）」であった場合には、当該計測対象点の高さデータは「＋７００（μｍ）」と特定される。

但し、上記検査エリアＥのうち、第１光パターンのみ照射される（第２光パターンが照射されない）一部照射領域ＷＢ１、及び、第２光パターンのみ照射される（第１光パターンが照射されない）一部照射領域ＷＢ２に関しては、それぞれデータの欠落部分となる（図６のＡ−Ａ´間，Ｂ−Ｂ´間参照）。図６は、図５のＫ−Ｋ線断面における全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２の高さデータをプロットした図である。

次に、上記全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に係る高さデータに基づき、上記一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に関する補完データを取得する。当該処理が本実施形態における補完データ取得手段の機能を構成する。

本実施形態では、第１光パターン又は第２光パターンの平面視照射方向（図５の左右方向）における一部照射領域ＷＢ１（データ欠落部分）の両端にあたる全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２の高さデータＡ，Ａ´、及び、一部照射領域ＷＢ２の両端にあたる全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２の高さデータＢ，Ｂ´をそれぞれ結ぶように線形補完が行われる（図７参照）。図７は、図５のＫ−Ｋ線断面における一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に関する補完データをプロットした図である。

続いて、一部照射領域ＷＢ１に関する上記補完データを基に、当該一部照射領域ＷＢ１に係る第１計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域ＷＢ１に係る高さデータとして取得する（図８参照）。同様に、一部照射領域ＷＢ２に関する補完データを基に、当該一部照射領域ＷＢ２に係る第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域ＷＢ２に係る高さデータとして取得する（図８参照）。これらの処理が本実施形態における第２高さデータ取得手段の機能を構成する。図８は、図７に示す補完データを基に特定した一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に係る高さデータをプロットした図である。

本実施形態では、所定の計測対象点に係る補完データに最も近い縞次数（補完データを含む範囲の縞次数）が、当該計測対象点に係る縞次数として特定される。

例えば、一部照射領域（第１光パターンのみ照射される領域）ＷＢ１のうちの所定の計測対象点に係る補完データが「＋１０５０（μｍ）」であった場合には、当該計測対象点に係る第１計測値の縞次数は［３］と特定される（図３参照）。

ここで、例えば、上記計測対象点に関し、第１計測値として得られた値が例えば「−１００（μｍ）」であった場合には、当該計測対象点に係る高さデータは、縞次数は［３］の第１計測値に対応する値である「＋１１００（μｍ）」と特定される。

上記一連の処理が終了すると、撮像視野全体（検査エリアＥ全域）についての計測データが完成する（図９参照）。図９は、図５のＫ−Ｋ線断面における高さデータをプロットした図である。

このようにして得られた各検査エリアＥ毎の計測データは、制御装置６の演算結果記憶装置２５に格納される。そして、当該検査エリアＥ毎の計測データに基づいて、基準面より高くなったクリームハンダＨの印刷範囲が検出され、この範囲内での各部位の高さを積分することにより、印刷されたクリームハンダＨの量が算出される。そして、このようにして求めたクリームハンダＨの位置、面積、高さ又は量等のデータが予め設定データ記憶装置２６に記憶されている基準データと比較判定され、この比較結果が許容範囲内にあるか否かによって、その検査エリアＥにおけるクリームハンダＨの印刷状態の良否が判定される。

かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を次の検査エリアＥへと移動せしめ、以降、上記一連の処理が、全ての検査エリアＥで繰り返し行われる。

このように、本実施形態の基板検査装置１においては、制御装置６の制御により検査エリアＥを移動しながら、順次画像処理を行うことにより、プリント基板２上のクリームハンダＨの高さ計測を含む三次元計測を行い、クリームハンダＨの印刷状態を高速かつ確実に検査することができるようになっている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、長い周期の第２光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い第１光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、広ダイナミックレンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

特に、本実施形態では、両光パターンが共に照射される全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に関しては、第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に係る高さデータとして取得する一方、第１光パターン又は第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に関しては、全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に係る高さデータに基づき補完データを算出した後、これを基に、一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に係る第１計測値又は第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に係る高さデータとして取得する。

これにより、第１光パターン及び第２光パターンの両者が照射される全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に関しては勿論のこと、両光パターンのうち一方のみが照射される一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に関しても、より高精度な高さデータを取得することができる。

尚、仮に一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に含まれる形状が比較的平坦な形状であれば、線形補完等して得た補完データをそのまま、当該一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に係る高さデータとして採用することも考えられるが、クリームハンダＨの一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２が必ずしもこのような形状のものばかりではなく、例えば比較的起伏のある凹凸形状となっていることも考えられるため、当該一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に関しても、実測値（所定の縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータ）をそのまま採用する方が、より真の値に近い値を得ることができる点において好ましい。

加えて、本実施形態では、各照明装置４Ａ，４Ｂが、カメラ５の撮像方向である略鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って視た平面視（Ｘ−Ｙ平面）において、プリント基板２を挟んで相対向する位置に配置されている。このため、第１光パターン及び第２光パターンのいずれも照射されない影の部分が生じるおそれを低減し、上記作用効果をより確実に奏することができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では、三次元計測装置を、プリント基板２に印刷形成されたクリームハンダＨの高さを計測する基板検査装置１に具体化したが、これに限らず、例えば基板上に印刷されたハンダバンプや、基板上に実装された電子部品など、他のものの高さを計測する構成に具体化してもよい。

（ｂ）上記実施形態では、周期６００μｍの第１光パターンと、周期８００μｍの第２光パターンとを組合わせて、高さ１５００μｍまでの計測を行う場合を例示しているが、勿論、各光パターンの周期や計測範囲はこれに限定されるものではない。例えば、第１光パターンの周期をより短く（例えば４００μｍ）して、第１光パターンの縞次数が４以上となる範囲で計測可能な構成としてもよい。

ここで、第１光パターンの周期と、第２光パターンの周期との差をより小さくすることにより、第１光パターンのみ照射される一部照射領域ＷＢ１の精度と、第２光パターンのみ照射される一部照射領域ＷＢ２の精度との差をより小さくすることができる。

（ｃ）上記実施形態では、プリント基板２に対し、周期の異なる２種類の光パターンを２方向から照射する構成となっている。これに限らず、周期の異なる３種類以上の光パターンを３方向以上から照射する構成としてもよい。

勿論、１種類１方向のみならず、同種（同周期）の光パターンを複数方向から照射する構成としてもよい。例えば、上記実施形態のように相対向して配置される第１照明装置４Ａ及び第２照明装置４Ｂを２組備え、当該４つの照明装置４Ａ，４Ｂを、プリント基板２を中心に９０°間隔で配置した構成としてもよい（図１０参照）。

但し、かかる構成では、第１光パターン又は第２光パターンのいずれか一方しか照射されない一部照射領域（図１０の斜線部分参照）が生じてしまうおそれもある。

これに対し、例えば第１照明装置４Ａ及び第２照明装置４Ｂをそれぞれ２つずつ備えると共に、当該第１照明装置４Ａ及び第２照明装置４Ｂがプリント基板２を中心に９０°間隔で交互に配置される構成、つまり２つの第１照明装置４Ａが相対向するように配置されると共に、２つの第２照明装置４Ｂが相対向するように配置された構成としてもよい（図１１参照）。

かかる構成により、上記図１０に例示した構成に比べ、第１光パターン又は第２光パターンのいずれか一方しか照射されない一部照射領域が生じる割合を極力減らすことができる。結果として、より精度の高い計測を行うことができる。

（ｄ）上記実施形態では、各光パターンが、矩形状のプリント基板２の一対の辺と平行にＸ軸方向に沿って照射される。つまり、光パターンの縞が、Ｘ軸方向に直交し、かつ、Ｙ軸方向に平行に照射される構成となっている。これに限らず、例えば、光パターンの縞が、矩形状のプリント基板２やカメラ５の撮像視野（検査エリアＥ）の各辺に対し斜め（例えば平面視斜め４５度）に交差するように照射される構成としてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、複数の照明装置４Ａ，４Ｂが、プリント基板２を中心に平面視等間隔で配置された構成となっているが、必ずしも複数の照明装置４Ａ，４Ｂが等間隔に配置されている必要はなく、各照明装置４Ａ，４Ｂの配置は、プリント基板２の構成等に応じて任意に設定可能である。

（ｆ）上記実施形態では、一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に関する補完データを取得するにあたり、全照射領域ＷＡ１，ＷＡ２に係る高さデータに基づき線形補完を行う構成となっている。補完データの取得方法は、これに限定されるものではなく、他の方法により行う構成としてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、補完データを基に一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に係る計測値の縞次数を特定するにあたり、所定の計測対象点に係る補完データに最も近い縞次数（補完データを含む範囲の縞次数）が、当該計測対象点に係る縞次数として特定される構成となっている。一部照射領域ＷＢ１，ＷＢ２に係る計測値の縞次数を特定する方法は、これに限定されるものではなく、他の方法により行う構成としてもよい。例えば、隣接する複数の計測対象点（画素）からなる所定エリア内の補完データの平均値を算出し、当該平均値に最も近い縞次数（当該平均値を含む範囲の縞次数）が、当該所定エリアに係る縞次数として特定される構成としてもよい。

１…基板検査装置、２…プリント基板、４Ａ…第１照明装置、４Ｂ…第２照明装置、５…カメラ、６…制御装置、Ｅ…検査エリア、Ｈ…クリームハンダ、ＷＡ１，ＷＡ２…全照射領域、ＷＢ１，ＷＢ２…一部照射領域。

Claims (6)

1. 縞状の光強度分布を有する第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
   縞状の光強度分布を有しかつ前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを前記第１位置とは異なる第２位置から被計測物に対し照射可能な第２照射手段と、
   前記光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   複数通りに位相変化させた前記第１光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
   複数通りに位相変化させた前記第２光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
   前記第１光パターン及び前記第２光パターンが共に照射される全照射領域に関して、前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
   前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記第１光パターン又は前記第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
   前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記第１計測値又は前記第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備え、
   前記第１照射手段及び前記第２照射手段は、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を挟んで相対向する位置に配置されていることを特徴とする三次元計測装置。
2. 縞状の光強度分布を有する第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
   縞状の光強度分布を有しかつ前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを前記第１位置とは異なる第２位置から被計測物に対し照射可能な第２照射手段と、
   前記光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   複数通りに位相変化させた前記第１光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
   複数通りに位相変化させた前記第２光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
   前記第１光パターン及び前記第２光パターンが共に照射される全照射領域に関して、前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
   前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記第１光パターン又は前記第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
   前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記第１計測値又は前記第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備え、
   前記第１照射手段及び前記第２照射手段をそれぞれ２つ備えると共に、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を中心に、前記第１照射手段及び前記第２照射手段が９０°間隔で交互に配置されていることを特徴とする三次元計測装置。
3. 縞状の光強度分布を有しかつ周期の異なる複数の光パターンをそれぞれ異なる方向から被計測物に対し照射可能な複数の照射手段と、
   前記各光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   複数通りに位相変化させた前記各光パターンをそれぞれ照射して前記撮像手段により撮像された前記各光パターンに係る複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を前記各光パターンに係る計測値として取得する計測値取得手段と、
   前記複数の光パターンが全て照射される全照射領域に関して、前記複数の光パターンに係る前記計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
   前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記複数の光パターンのうちの一部のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
   前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
4. 縞状の光強度分布を有する第１周期の第１光パターンを第１位置から被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
   縞状の光強度分布を有しかつ前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを前記第１位置とは異なる照射方向となる第２位置から被計測物に対し照射可能な第２照射手段と、
   前記光パターンの照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
   前記画像処理手段は、
   複数通りに位相変化させた前記第１光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
   複数通りに位相変化させた前記第２光パターンを照射して前記撮像手段により撮像された複数通りの画像データに基づき、位相シフト法により三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
   前記第１光パターン及び前記第２光パターンが共に照射される全照射領域に関して、前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、当該全照射領域に係る高さデータとして取得する第１高さデータ取得手段と、
   前記全照射領域に係る高さデータに基づき、前記第１光パターン又は前記第２光パターンの一方のみが照射される一部照射領域に関する補完データを取得する補完データ取得手段と、
   前記補完データを基に、前記一部照射領域に係る前記第１計測値又は前記第２計測値の縞次数を特定し、当該縞次数の第１計測値又は第２計測値に対応する高さデータを、当該一部照射領域に係る高さデータとして取得する第２高さデータ取得手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
5. 前記第１照射手段及び前記第２照射手段は、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を挟んで相対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。
6. 前記第１照射手段及び前記第２照射手段をそれぞれ２つ備えると共に、前記撮像手段の撮像方向に沿って視た平面視において、前記被計測物を中心に、前記第１照射手段及び前記第２照射手段が９０°間隔で交互に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。

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