JP6553011B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト法により三次元計測を行う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半田が印刷される。次に、該クリーム半田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半田付けが行われる。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半田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。

従来、光を用いた非接触式の三次元計測装置が種々提案されている。例えば位相シフト法を用いた三次元計測装置がある。

位相シフト法を用いた三次元計測装置としては、例えば被計測物を移動する移動機構と、該被計測物に対し縞状のパターン光を照射する照射装置と、該パターン光の照射された被計測物を撮像する撮像装置とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる三次元計測装置においては、照射装置及び撮像装置からなる計測ヘッドに対し被計測物を相対移動することにより、被計測物上における光強度分布がパターン光の所定位相分ずつ異なる複数の画像データを取得することができる。そして、これら複数の画像データを基に位相シフト法により被計測物の三次元計測を行うことができる。

例えば被計測物上における光強度分布がパターン光の位相９０°分ずつ異なる４通りの画像データを取得した場合、該４通りの画像データにおける被計測物上の所定の座標位置の輝度値Ｉ₀，Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃は、それぞれ下記式（１）、（２）、（３）、（４）により表すことができる。

Ｉ₀＝α＋βsinφ ・・・（１）
Ｉ₁＝α＋βsin（φ＋９０°） ・・・（２）
Ｉ₂＝α＋βsin（φ＋１８０°） ・・・（３）
Ｉ₃＝α＋βsin（φ＋２７０°） ・・・（４）
但し、α：オフセット、β：ゲイン、φ：パターン光の位相。

上記式（１）、（２）、（３）、（４）を位相φについて解くと、下記式（５）を導き出すことができる。

φ＝tan^-1｛（Ｉ₀−Ｉ₂）／（Ｉ₁−Ｉ₃）｝・・・（５）
そして、上記のように算出された位相φを用いて、三角測量の原理に基づき、被計測物上の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）を求めることができる。

上記撮像装置に用いられる撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）エリアセンサや、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）エリアセンサなどが知られている。

例えばインターライン転送方式のＣＣＤエリアセンサは、行列状に２次元配置されかつ入射光をその光量に応じた電荷に変換して蓄積する複数の受光部（画素）と、該受光部に蓄積された電荷を垂直方向に転送する複数の垂直転送部と、該垂直転送部から転送される電荷を水平方向に転送する水平転送部と、該水平転送部から転送される電荷を電圧に変換し増幅して出力する出力アンプとを備えてなる。

近年、三次元計測の分野においては、計測の高速化が求められている。これに対応するため、例えば撮像素子として、撮像領域を左右２つの領域に区画し、該２つの領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行うエリアセンサを用いることで、撮像速度（画像データの取得速度）を高速化することが考えられる（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１２−２４７３７５号公報 特開２００１−９４８８６号公報

しかしながら、特許文献１のような三次元計測装置において、複数の出力チャンネルを有する撮像素子を用いた場合には、被計測物上の所定位置について位相シフト法による三次元計測を行う上で必要な複数のデータ（輝度値）が異なるチャンネルから取得されてしまう場合がある。

例えば図１４（ａ）〜（ｄ）に示すように、２つの出力チャンネルＣＨ１，ＣＨ２を有する撮像素子８０によって、同図右方向へ向け連続搬送される被計測物９０を所定時間Δｔが経過する毎に撮像し、被計測物９０上の所定位置Ｐについて位相シフト法による三次元計測を行う上で必要な４通りのデータ（輝度値）を取得する場合を想定する。

図１４に示す例では、被計測物９０上の所定位置Ｐは、撮像タイミングｔ１，ｔ２においては、第１出力チャンネルＣＨ１に対応する左側撮像領域８０Ａで撮像され〔図１４（ａ），（ｂ）参照〕、撮像タイミングｔ３，ｔ４においては、第２出力チャンネルＣＨ２に対応する右側撮像領域８０Ｂで撮像される。つまり、４回の撮像を行う間に被計測物９０上の所定位置Ｐが、各チャンネルＣＨ１，ＣＨ２に対応する撮像領域８０Ａ，８０Ｂの境界部（区画線）８０Ｃを跨いでしまい、所定位置Ｐに係る４通りのデータが２つずつ異なるチャンネルから取得されることとなる。

複数の出力チャンネルを有する撮像素子においては、各チャンネル毎に出力アンプが異なるため、各チャンネルにおけるゲインやオフセットの値が厳密には一致しない。つまり、位相シフトに係る上記各式（１）〜（４）における「α（オフセット）」及び「β（ゲイン）」の値が一致しないため、図１４に示すような場合には、計測結果の誤差が増大するおそれがある。

尚、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半田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、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、位相シフト法による三次元計測を行うにあたり、計測効率の向上及び計測精度の低下抑制等を図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．所定のパターン光を被計測物（例えばプリント基板）に対し照射可能な照射手段と、
所定の撮像領域が複数の領域に区画され、該区画された複数の領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行う撮像素子を有し、前記パターン光の照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
前記照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とを所定方向に沿って相対移動可能な移動手段と、
前記照射手段から照射された前記パターン光の下で、前記照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とが所定量相対移動する毎に、前記撮像素子における前記複数の領域のうちの同一領域において撮像される前記被計測物上の各座標位置に係る複数のデータを取得可能なデータ取得手段と、
前記データ取得手段により取得された前記複数のデータを基に位相シフト法により前記被計測物上の各座標位置に係る三次元計測を実行可能なデータ処理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１によれば、例えば連続搬送される被計測物に対し縞状（正弦波状）の光強度分布を有するパターン光が照射され、該パターン光の照射された被計測物が所定量（例えばパターン光の位相９０°分に相当する距離）搬送される毎に撮像手段により撮像される。これにより、照射されたパターン光の位相が所定量ずつ（例えば位相９０°ずつ）異なる複数通りの画像データが取得される。そして、これらの画像データを基に被計測物の三次元計測が行われる。

さらに、本手段では、撮像領域が複数の領域に区画され、該区画された複数の領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行う撮像素子が用いられている。これにより、撮像速度（画像データの取得速度）の高速化が可能となり、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本手段では、撮像素子の同一チャンネルから取得される複数のデータを基に、被計測物上の各座標位置について、位相シフト法による三次元計測を行う構成となっている。このため、位相シフトに係る上記各式（１）〜（４）における「α（オフセット）」及び「β（ゲイン）」の値が一致することとなり、計測精度の低下抑制を図ることができる。

手段２．前記撮像素子は、前記複数の領域を区画する区画線（複数の領域の境界部）が前記所定方向に沿うように設けられていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

上記手段２によれば、撮像素子において、所定方向（照射手段及び撮像手段と被計測物との相対移動方向）と直交する区画線が存在せず、所定方向と直交する方向に複数の領域が並設された構成となる。これにより、撮像素子における所定方向全域をデータ取得に活用することができる。ひいては、照射手段及び撮像手段と被計測物との相対移動速度を高速化することが可能となるなど、計測効率のさらなる向上を図ることができる。

手段３．所定のパターン光を被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
前記被計測物に対し前記パターン光とは異なる第２の光を照射可能な第２照射手段と、
所定の撮像領域が複数の領域に区画され、該区画された複数の領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行う撮像素子を有し、前記各種光の照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
前記両照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とを所定方向に沿って相対移動可能な移動手段と、
前記第１照射手段から照射された前記パターン光の下で、前記両照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とが所定量相対移動する毎に、前記撮像素子における前記複数の領域のうちの第１領域（例えば所定方向上流側領域）において撮像される前記被計測物上の各座標位置に係る複数のデータを取得可能な第１データ取得手段と、
前記第１データ取得手段により取得された前記複数のデータを基に位相シフト法により前記被計測物上の各座標位置に係る三次元計測を実行可能な第１データ処理手段と、
前記第２照射手段から照射された前記第２の光の下で、前記撮像素子における前記複数の領域のうち、前記第１領域とは前記所定方向に異なる第２領域（例えば所定方向下流側領域）において撮像されるデータを取得可能な第２データ取得手段と、
前記第２データ取得手段により取得されたデータに基づき、所定の処理を実行可能な第２データ処理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、上記手段１と同様の作用効果が奏される。さらに、本手段では、三次元計測を目的とした第１領域における撮像に加え、第２の光の下で第２領域における撮像を行う構成となっている。つまり、三次元計測用のデータの取得に加え、該三次元計測とは異なる他の用途に用いるデータ（第２データ処理手段により所定の処理を実行するためのデータ）を取得することができる。

結果として、複数種類の計測を組み合せて行うことが可能となるため、計測精度のさらなる向上を図ることができる。また、第１領域における撮像と、第２領域における撮像を同時に行うことができるため、撮像処理の簡素化を図ると共に、計測効率の低下抑制等を図ることができる。

手段４．前記第２照射手段は、前記第２の光として、光強度が一定の均一光を照射可能に構成されていることを特徴とする手段３に記載の三次元計測装置。

上記手段４によれば、均一光を照射して輝度画像データを取得することが可能となる。ひいては該輝度画像データを基に、例えば三次元計測により得られる三次元データに対しマッピングを行うことや、計測領域の抽出を行うこと等が可能となるため、さらなる計測精度の向上等を図ることができる。

手段５．前記第２照射手段は、前記第２の光として、所定のパターン光を照射可能に構成されていることを特徴とする手段３に記載の三次元計測装置。

上記手段５によれば、第１照射手段から照射されるパターン光に基づく上記三次元計測とは別の三次元計測を新たに行うことが可能となり、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

例えば、撮像素子の第１領域において取得した複数のデータを基に三次元計測した計測結果と、撮像素子の第２領域において取得した複数のデータを基に三次元計測した計測結果との平均値を求める等して、計測精度の向上を図ることができる。

また、「第２の光」として、第１照射手段から照射されるパターン光とは輝度の異なるパターン光を照射すれば、被計測物上の各部位の明暗の違いに基づく各種不具合の発生を抑制することができる。例えばプリント基板上のクリーム半田の印刷部分（半田印刷領域）と、その他の部分（背景領域）とでは光の反射率等が異なることから、同一輝度のパターン光の下では、各部分のより正確なデータを取得することが困難となるおそれがある。

手段６．前記被計測物は、クリーム半田が印刷されたプリント基板であること、又は、半田バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。

上記手段６によれば、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプの高さ計測等を行うことができる。ひいては、クリーム半田又は半田バンプの検査において、その計測値に基づいてクリーム半田又は半田バンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置における検査精度の向上を図ることができる。

基板検査装置を模式的に示す概略斜視図である。 プリント基板の断面図である。 基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。 プリント基板上に照射されたパターン光の態様を模式的に示した図である。 ＣＣＤエリアセンサの概略構成を示す模式図である。 時間経過と共に変化するプリント基板上の座標位置と、カメラの撮像範囲との関係を説明するための模式図である。 時間経過と共に変化するプリント基板上の座標位置と、パターン光の位相との関係を説明するための表である。 複数の画像データの座標位置を位置合せした状態を模式的に示した表である。 プリント基板の各座標位置に係るデータを整理した状態を模式的に示した表である。 （ａ）〜（ｄ）は、撮像タイミングｔ１，ｔ２、ｔ３，ｔ４におけるプリント基板と撮像素子との位置関係を説明するための模式図である。 別の実施形態に係る撮像素子の概略構成を示す模式図である。 別の実施形態に係る撮像素子の概略構成を示す模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、撮像タイミングｔ１，ｔ２、ｔ３，ｔ４におけるプリント基板と、別の実施形態に係る撮像素子との位置関係を説明するための模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は、撮像タイミングｔ１，ｔ２、ｔ３，ｔ４におけるプリント基板と撮像素子との位置関係を説明するための模式図である。

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず被計測物としてのプリント基板の構成について詳しく説明する。

図２に示すように、プリント基板１は、平板状をなし、ガラスエポキシ樹脂等からなるベース基板２に、銅箔からなる電極パターン３が設けられている。さらに、所定の電極パターン３上には、クリーム半田４が印刷形成されている。このクリーム半田４が印刷された領域を「半田印刷領域」ということにする。半田印刷領域以外の部分を「背景領域」と総称するが、この背景領域には、電極パターン３が露出した領域（記号Ｅ１）、ベース基板２が露出した領域（記号Ｅ２）、ベース基板２上にレジスト膜５がコーティングされた領域（記号Ｅ３）、及び、電極パターン３上にレジスト膜５がコーティングされた領域（記号Ｅ４）が含まれる。尚、レジスト膜５は、所定配線部分以外にクリーム半田４がのらないように、プリント基板１の表面にコーティングされるものである。

次に、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の構成について詳しく説明する。図１は、基板検査装置１０を模式的に示す概略構成図である。

基板検査装置１０は、プリント基板１を搬送する搬送手段（移動手段）としてのコンベア１３と、プリント基板１の表面に対し斜め上方から所定の光を照射する照射手段としての照明装置１４と、該光の照射されたプリント基板１を撮像する撮像手段としてのカメラ１５と、コンベア１３や照明装置１４、カメラ１５の駆動制御など基板検査装置１０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１６（図３参照）とを備えている。制御装置１６は、本実施形態におけるデータ取得手段やデータ処理手段を構成する。

コンベア１３には、図示しないモータ等の駆動手段が設けられており、該モータが制御装置１６により駆動制御されることによって、コンベア１３上に載置されたプリント基板１が所定方向（図１右方向）へ定速で連続搬送される。これにより、カメラ１５の撮像範囲Ｗは、プリント基板１に対し逆方向（図１左方向）へ相対移動していくこととなる。

照明装置１４は、所定の光を発する光源や、該光源からの光をパターン光に変換する格子（液晶パネルなど）を備え、プリント基板１に対し縞状（正弦波状）の光強度分布を有するパターン光を照射可能に構成されている。

図４に示すように、本実施形態では、搬送されるプリント基板１上において、縞の方向が基板搬送方向（Ｘ方向）と直交するパターン光が照射される。すなわち、縞の方向が基板搬送方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に平行なパターン光が照射される。

カメラ１５は、レンズ１５ａや撮像素子１５ｂ等を備え、その光軸がコンベア１３上に載置されたプリント基板１に垂直な方向（Ｚ方向）に沿って設定されている。本実施形態では、カメラ１５の撮像素子１５ｂとして、インターライン転送方式のＣＣＤエリアセンサ３０を採用している（図５参照）。

図５に示すように、ＣＣＤエリアセンサ３０は、行列状に２次元配置されかつ入射光をその光量に応じた電荷に変換して蓄積する光電変換素子（例えばフォトダイオード）からなる複数の受光部（画素）３１と、該受光部３１の各垂直列に対応してそれぞれ設けられ、該垂直列の各受光部３１に蓄積された電荷を垂直方向に１行分（一画素分）ずつ順次転送する複数の垂直転送部（垂直ＣＣＤシフトレジスタ）３２と、該垂直転送部３２から転送される１行分の電荷を水平方向に順次転送する水平転送部（水平ＣＣＤシフトレジスタ）３３と、該水平転送部３３から転送される電荷を電圧に変換し増幅して出力する出力アンプ３５とを備えている。

尚、本実施形態では、ＣＣＤエリアセンサ３０の水平方向が基板搬送方向であるＸ方向に沿い、かつ、ＣＣＤエリアセンサ３０の垂直方向が基板搬送方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向に沿うように、カメラ１５が配置されている。

さらに、本実施形態に係るＣＣＤエリアセンサ３０は、図５に示すように、その１画面分の撮像領域３８がカメラ１５の光軸を中心として垂直方向（Ｙ方向）に２分割（２つに区画）され、該分割（区画）された２つの領域からの出力をそれぞれ異なる２つのチャンネルから並行して行う構成となっている。

より詳しくは、図５上側（図１奥側）に位置する第１撮像領域３８Ａに含まれる受光部３１から読み出された電荷は、図５上側の第１水平転送部３３Ａを介して、図５上側の第１出力アンプ３５Ａから出力される。かかる出力経路が第１チャンネルＣＨ１となる。

一方、図５下側（図１手前側）に位置する第２撮像領域３８Ｂに含まれる受光部３１から読み出された電荷は、図５下側の第２水平転送部３３Ｂを介して、図５下側の第２出力アンプ３５Ｂから出力される。かかる出力経路が第２チャンネルＣＨ２となる。

両チャンネルＣＨ１，ＣＨ２からそれぞれ出力された画像信号（画像データ）は、図示しない回路等を介して、撮像領域３８全体によって撮像された１画面分の画像信号（画像データ）として合成されると共に、デジタル信号に変換された上で、カメラ１５から制御装置１６へ出力される。制御装置１６に入力された画像データは、後述する画像データ記憶装置２４に記憶される。そして、制御装置１６は、該画像データを基に、後述するような画像処理や演算処理等を実施する。

次に、制御装置１６の電気的構成について図３を参照して詳しく説明する。図３は、基板検査装置１０の電気的構成を示すブロック図である。

図３に示すように、制御装置１６は、基板検査装置１０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、タッチパネル等で構成される「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１５により撮像され取得された画像データなどを記憶するための画像データ記憶装置２４、該画像データに基づいて得られた三次元計測結果など、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置２５、設計データなどの各種情報を予め記憶しておくための設定データ記憶装置２６などを備えている。尚、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。

次に、基板検査装置１０にて実行される三次元計測処理等の各種処理について詳しく説明する。

制御装置１６は、コンベア１３を駆動制御してプリント基板１を定速で連続搬送する。そして、制御装置１６は、コンベア１３に設けられた図示しないエンコーダからの信号に基づいて、照明装置１４及びカメラ１５を駆動制御する。

より詳しくは、プリント基板１が所定量Δｘ搬送される毎、つまり所定時間Δｔが経過する毎に、パターン光の照射されたプリント基板１をカメラ１５により撮像する。所定時間Δｔが経過する毎に、カメラ１５により撮像され取得された画像データは、随時、制御装置１６へ転送され、画像データ記憶装置２４に記憶される。

本実施形態では、所定量Δｘが、照明装置１４から照射されるパターン光の位相９０°分に相当する距離に設定されている。また、基板搬送方向（Ｘ方向）におけるカメラ１５の撮像範囲Ｗがパターン光の１周期（位相３６０°）分に相当する長さに設定されている。勿論、所定量Δｘやカメラ１５の撮像範囲Ｗは、これに限定されるものではなく、これより長くてもよいし、短くてもよい。

ここで、照明装置１４から照射されるパターン光と、カメラ１５により撮像されるプリント基板１との関係について具体例を挙げ詳しく説明する。図６は、時間経過と共に相対移動するプリント基板１上の座標位置とカメラ１５の撮像範囲Ｗとの関係を説明するための模式図である。図７は、時間経過と共に相対移動するプリント基板１上の座標位置とパターン光の位相との関係を説明するための表である。

図６，７に示すように、所定の撮像タイミングｔ１において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１のうち、その基板搬送方向（Ｘ方向）における座標Ｐ２〜Ｐ１７に相当する範囲が位置する。つまり、撮像タイミングｔ１においては、パターン光が照射されたプリント基板１表面の座標Ｐ２〜Ｐ１７の範囲の画像データが取得される。

図７に示すように、撮像タイミングｔ１においては、プリント基板１に照射されたパターン光の位相が座標Ｐ１７で「０°」、座標Ｐ１６で「２２．５°」、座標Ｐ１５で「４５°」、・・・、座標Ｐ１で「３６０°（０°）」といったように、パターン光の位相が各座標Ｐ２〜Ｐ１７ごとに「２２．５°」ずつずれた画像データが取得される。但し、図７で示されるパターン光の位相は、高さ位置「０」かつ平面をなす基準面に照射された場合を想定したものである。

尚、プリント基板１上における基板搬送方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）については、プリント基板１のＹ方向全範囲がカメラ１５の撮像範囲内に含まれ、Ｘ方向の同一座標位置におけるＹ方向の各座標位置についてはパターン光の位相に違いはない。また、カメラ１５と照明装置１４の位置関係は固定されているため、照明装置１４から照射されるパターン光の位相は、撮像素子１５ｂ（ＣＣＤエリアセンサ３０）の各座標位置に対し固定されている。

撮像タイミングｔ１より所定時間Δｔが経過した撮像タイミングｔ２において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１上の座標Ｐ６〜Ｐ２１に相当する範囲が位置し、該範囲の画像データが取得される。

撮像タイミングｔ２より所定時間Δｔが経過した撮像タイミングｔ３において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１の座標Ｐ１０〜Ｐ２５に相当する範囲が位置し、該範囲の画像データが取得される。

撮像タイミングｔ３より所定時間Δｔが経過した撮像タイミングｔ４において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１の座標Ｐ１４〜Ｐ２９に相当する範囲が位置し、該範囲の画像データが取得される。

以後、所定時間Δｔが経過する毎に、上記撮像タイミングｔ１〜ｔ４の処理と同様の処理が繰り返し行われる。

尚、本実施形態に係る撮像素子１５ｂ（ＣＣＤエリアセンサ３０）は、第１撮像領域３８Ａ及び第２撮像領域３８Ｂの区画線（境界部）３８Ｃが基板搬送方向（Ｘ方向）に沿うように配置されている。従って、本実施形態では、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、プリント基板１の所定位置Ｐが４回の撮像（撮像タイミングｔ１，ｔ２、ｔ３，ｔ４）すべてにおいて、第１出力チャンネルＣＨ１に対応する第１撮像領域３８Ａで撮像されることとなる。つまり、プリント基板１の所定位置Ｐについて位相シフト法による三次元計測を行う上で必要な４通りのデータ（輝度値）が同一のチャンネルから取得される。

このようにして、プリント基板１の所定の座標位置（例えば座標Ｐ１７）に係る全てのデータが取得されると、上記各画像データの座標位置を位置合せする（各画像データの相互間の座標系を合せる）位置合せ処理を実行する（図８参照）。図８は、撮像タイミングｔ１〜ｔ４において取得した複数の画像データの座標位置を位置合せした状態を模式的に示した表である。

続いて、複数の画像データの同一座標位置に係る各種データを各座標位置ごとにまとめた上で演算結果記憶装置２５に記憶する（図９参照）。図９は、プリント基板１の各座標位置に係る各種データを整理して並べ替えた状態を模式的に示した表である。但し、図９では、プリント基板１の座標Ｐ１７に係る部分のみを例示している。これにより、本実施形態では、プリント基板１の各座標位置につき、パターン光の位相が９０°ずつずれた４通りの輝度データが取得されることとなる。

次に、制御装置１６は、上記のように取得した４通りの画像データ（各座標の４通りの輝度値）を基に、背景技術でも示した公知の位相シフト法により各座標毎の高さ計測を行う。制御装置１６は、該処理を各座標毎に繰り返すことで、プリント基板１全体の高さデータを算出し、該プリント基板１の三次元データとして演算結果記憶装置２５に記憶する。

そして、制御装置１６は、上記のように得られた計測結果を基にクリーム半田４の印刷状態の良否判定を行う。具体的に、制御装置１６は、高さ基準面より所定長以上、高くなったクリーム半田４の印刷範囲を検出し、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半田４の量を算出する。

続いて、制御装置１６は、このようにして求めたクリーム半田４の位置、面積、高さ又は量等のデータを、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（ガーバデータなど）と比較判定し、この比較結果が許容範囲内にあるか否かによって、クリーム半田４の印刷状態の良否を判定する。

以上詳述したように、本実施形態では、連続搬送されるプリント基板１に対し縞状の光強度分布を有するパターン光が照射され、該パターン光の照射されたプリント基板１が所定量搬送される毎にカメラ１５により撮像される。これにより、照射されたパターン光の位相が９０°ずつ異なる４通りの画像データが取得される。そして、これらの画像データを基にプリント基板１の三次元計測が行われる。

さらに、本実施形態では、カメラ１５の撮像素子１５ｂとして、１画面分の撮像領域３８がカメラ１５の光軸を中心として垂直方向（Ｙ方向）に２分割され、該分割された２つの領域からの出力をそれぞれ異なる２つのチャンネルＣＨ１，ＣＨ２から並行して行うＣＣＤエリアセンサ３０が用いられている。これにより、撮像速度（画像データの取得速度）の高速化が可能となり、計測効率の向上を図ることができる。

加えて、本実施形態に係る撮像素子１５ｂ（ＣＣＤエリアセンサ３０）は、第１撮像領域３８Ａ及び第２撮像領域３８Ｂの境界部（区画線）３８Ｃが基板搬送方向に沿うように配置されている。そして、撮像素子１５ｂ（ＣＣＤエリアセンサ３０）の同一チャンネルから取得される複数のデータを基にプリント基板１上の各座標位置について、位相シフト法による三次元計測を行う構成となっている。このため、位相シフトに係る上記各式（１）〜（４）における「α（オフセット）」及び「β（ゲイン）」の値が一致することとなり、計測精度の低下抑制を図ることができる。

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１に印刷形成されたクリーム半田４の高さを計測する基板検査装置１０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半田バンプや、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、コンベア１３によりプリント基板１を連続移動することにより、照明装置１４及びカメラ１５とプリント基板１との位置関係を相対移動させる構成となっているが、これに限らず、照明装置１４及びカメラ１５からなる計測ヘッドを動かし、プリント基板１との位置関係を相対移動させる構成としてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、位相シフト法による三次元計測を行う上で、パターン光の位相が９０°ずつ異なる４通りの画像データを取得する構成となっているが、位相シフト回数及び位相シフト量は、これらに限定されるものではない。位相シフト法により三次元計測可能な他の位相シフト回数及び位相シフト量を採用してもよい。

例えば位相が１２０°（又は９０°）ずつ異なる３通りの画像データを取得して三次元計測を行う構成としてもよいし、位相が１８０°（又は９０°）ずつ異なる２通りの画像データを取得して三次元計測を行う構成としてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、カメラ１５の撮像素子１５ｂとして、インターライン転送方式のＣＣＤエリアセンサ３０が採用されている。撮像素子１５ｂの構成は、これに限定されるものではない。

例えばフルフレーム転送方式やフレーム転送方式、フレームインターライン転送方式などのＣＣＤエリアセンサを採用してもよい。勿論、ＣＣＤエリアセンサに限らず、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。

一般のＣＣＤエリアセンサ等を用いた場合には、露光中にデータ転送を行うことができないため、上記実施形態のようにプリント基板１が所定量搬送される毎に撮像（露光）を行う場合には、その間にデータ転送（読出）を行う必要がある。

これに対し、ＣＭＯＳエリアセンサや、データ転送中に露光可能な機能を持ったＣＣＤエリアセンサ等を用いた場合には、撮像（露光）とデータ転送とを一部で重複して行うことができるため、プリント基板１の連続搬送に適しており、計測効率の向上を図ることができる。

（ｅ）上記実施形態では、撮像領域３８がＹ方向に２分割され、該分割された２つの領域からの出力をそれぞれ異なる２つのチャンネルＣＨ１，ＣＨ２から並行して行うＣＣＤエリアセンサ３０が採用されている。チャンネル数及び撮像領域の区画構成は、上記実施形態に限定されず、他の構成を採用してもよい。例えば撮像領域を３つ以上の領域に分割した撮像素子（エリアセンサ）を採用してもよい。

具体例として、図１１に示す例が挙げられる。同図に示す撮像素子６０は、撮像領域をＹ方向に４分割し、該４つの領域からの出力をそれぞれ異なる４つのチャンネルＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４から並行して行う構成となっている。撮像素子６０は、撮像領域を各チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４に対応する複数の領域に区画する区画線（複数の領域の境界部）６０ａ，６０ｂ，６０ｃがすべて基板搬送方向（Ｘ方向）に沿うように設けられている。

また、他の具体例として、図１２，１３に示す例が挙げられる。同図に示す撮像素子７０は、その１画面分の撮像領域７８がカメラ１５の光軸を中心として水平方向及び垂直方向に区画線７８Ｅ，７８Ｆによりそれぞれ２分割、計４分割され、該４つの領域からの出力をそれぞれ異なる４つのチャンネルＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４から並行して行う構成となっている。

より詳しくは、図１２右上に位置する第１撮像領域７８Ａに含まれる受光部７１Ａから読み出された電荷は、所定の垂直転送部７２Ａ及び第１水平転送部７３Ａを介して、第１出力アンプ７５Ａから出力される。かかる出力経路が第１チャンネルＣＨ１となる。

図１２右下に位置する第２撮像領域７８Ｂに含まれる受光部７１Ｂから読み出された電荷は、所定の垂直転送部７２Ｂ及び第２水平転送部７３Ｂを介して、第２出力アンプ７５Ｂから出力される。かかる出力経路が第２チャンネルＣＨ２となる。

図１２左上に位置する第３撮像領域７８Ｃに含まれる受光部７１Ｃから読み出された電荷は、所定の垂直転送部７２Ｃ及び第３水平転送部７３Ｃを介して、第３出力アンプ７５Ｃから出力される。かかる出力経路が第３チャンネルＣＨ３となる。

図１２左下に位置する第４撮像領域７８Ｄに含まれる受光部７１Ｄから読み出された電荷は、所定の垂直転送部７２Ｄ及び第４水平転送部７３Ｄを介して、第４出力アンプ７５Ｄから出力される。かかる出力経路が第４チャンネルＣＨ４となる。

但し、撮像素子７０には、基板搬送方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に沿って延びる区画線７８Ｅが存在し、撮像領域７８が基板搬送方向に２分割されている。そのため、撮像素子７０によって、プリント基板１上の所定位置Ｐについて位相シフト法による三次元計測を行う上で必要な４通りのデータ（輝度値）を取得する場合には、例えば第１撮像領域７８Ａ及び第２撮像領域７８ＢのＸ方向幅内にパターン光の少なくとも１周期（位相３６０°）分が投影されるように設定する。

そして、図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように、同図右方向へ向け連続搬送されるプリント基板１を所定時間Δｔが経過する毎（例えばプリント基板１がパターン光の位相９０°分に相当する距離を移動する毎）に撮像し、プリント基板１の所定位置Ｐが４回の撮像（撮像タイミングｔ１，ｔ２、ｔ３，ｔ４）すべてにおいて、第１出力チャンネルＣＨ１に対応する第１撮像領域７８Ａ内で撮像されるようにする。

また、撮像素子７０から区画線７８Ｆを省略し、第１撮像領域７８Ａ及び第２撮像領域７８Ｂを１つの領域とすると共に、第３撮像領域７８Ｃ及び第４撮像領域７８Ｄを１つの領域とした構成としてもよい。つまり、図１４に示す撮像素子８０の区画構成と同様に、撮像領域７８が区画線７８Ｅにより基板搬送方向（Ｘ方向）に２分割され、該２つの領域からの出力をそれぞれ異なる２つのチャンネルから並行して行う構成としてもよい。

かかる構成とした場合においても、上記図１３（ａ）〜（ｄ）に示した場合と同様に、一方の領域のＸ方向幅内にパターン光の少なくとも１周期（位相３６０°）分が投影され、プリント基板１の所定位置Ｐが４回の撮像（撮像タイミングｔ１，ｔ２、ｔ３，ｔ４）すべてにおいて前記一方の領域内で撮像されるようにすれば、計測精度の低下を抑制することができる。

（ｆ）照明装置１４の構成は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば所定のパターン光を照射可能な第１照射手段としての第１照明と、前記パターン光とは異なる第２の光を照射可能な第２照射手段としての第２照明とを備えた構成としてもよい。

かかる構成の下、例えば撮像領域が基板搬送方向（Ｘ方向）に分割された上記撮像素子７０を用いて、第１照明からパターン光が照射されたプリント基板１上の所定領域を撮像素子７０の第１領域（例えば第１撮像領域７８Ａ及び第２撮像領域７８Ｂ）により撮像すると共に、第２照明から第２の光が照射されたプリント基板１上の他の領域を撮像素子７０の第２領域（例えば第３撮像領域７８Ｃ及び第４撮像領域７８Ｄ）により撮像する構成としてもよい。

撮像素子７０の第１領域における撮像によりデータを取得する機能により、本実施形態における第１データ取得手段が構成され、これにより取得されたデータを基に位相シフト法により三次元計測を実行する機能により、本実施形態における第１データ処理手段が構成される。また、撮像素子７０の第２領域における撮像によりデータを取得する機能により、本実施形態における第２データ取得手段が構成され、これにより取得されたデータに基づき所定の処理を実行する機能により、本実施形態における第２データ処理手段が構成される。

ここで、「第２の光」として、光強度が一定の均一光を照射可能な構成としてもよい。かかる構成により、輝度画像データを取得することが可能となる。ひいては該輝度画像データを基に、例えば三次元計測により得られる三次元データに対しマッピングを行うことや、計測領域の抽出を行うこと等が可能となり、さらなる計測精度の向上等を図ることができる。

また、「第２の光」として、所定のパターン光を照射可能な構成としてもよい。かかる構成により、第１照明から照射されるパターン光に基づく第１の三次元計測とは別に、第２照明から照射されるパターン光に基づく第２の三次元計測を行うことが可能となり、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

例えば、プリント基板１の所定位置Ｐについて、撮像素子７０の第１領域（例えば第１撮像領域７８Ａ及び第２撮像領域７８Ｂ）において取得した複数のデータを基に三次元計測した計測結果と、撮像素子７０の第２領域（例えば第３撮像領域７８Ｃ及び第４撮像領域７８Ｄ）において取得した複数のデータを基に三次元計測した計測結果との平均値を求める等して、計測精度の向上を図ることができる。

特に「第２の光」として、第１照明から照射されるパターン光とは輝度の異なるパターン光を第２照明から照射すれば、プリント基板１上の各部位の明暗の違いに基づく各種不具合の発生を抑制することができる。例えば第１照明のパターン光の輝度を、「暗部」となる「背景領域」に対応した比較的明るい第１輝度に設定する一方、第２照明のパターン光の輝度を、「明部」となる「半田印刷領域」に対応した、前記第１輝度よりも暗い第２輝度に設定することが一例に挙げられる。

尚、撮像領域が基板搬送方向（Ｘ方向）に分割された上記撮像素子７０等を用いる場合には、必ずしも撮像素子７０の第２領域（例えば第３撮像領域７８Ｃ及び第４撮像領域７８Ｄ）によるデータ取得は必要なく、第２照明等を省略し、撮像素子７０の第１領域（例えば第１撮像領域７８Ａ及び第２撮像領域７８Ｂ）によるデータ取得のみを行う構成としてもよい。これにより、データ処理の簡素化や処理負荷の低減を図ることができる。

１…プリント基板、４…クリーム半田、１０…基板検査装置、１３…コンベア、１４…照明装置、１５…カメラ、１５ｂ…撮像素子、１６…制御装置、２４…画像データ記憶装置、２５…演算結果記憶装置、３０…ＣＣＤエリアセンサ、３８…撮像領域、３８Ａ…第１撮像領域、３８Ｂ…第２撮像領域、３８Ｃ…区画線（境界部）、ＣＨ１…第１チャンネル、ＣＨ２…第２チャンネル、Ｗ…撮像範囲。

Claims (6)

1. 所定のパターン光を被計測物に対し照射可能な照射手段と、
   所定の撮像領域が複数の領域に区画され、該区画された複数の領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行う撮像素子を有し、前記パターン光の照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
   前記照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とを所定方向に沿って相対移動可能な移動手段と、
   前記照射手段から照射された前記パターン光の下で、前記照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とが所定量相対移動する毎に、前記撮像素子における前記複数の領域のうちの同一領域において撮像される前記被計測物上の各座標位置に係る複数のデータを取得可能なデータ取得手段と、
   前記データ取得手段により取得された前記複数のデータを基に位相シフト法により前記被計測物上の各座標位置に係る三次元計測を実行可能なデータ処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
2. 前記撮像素子は、前記複数の領域を区画する区画線が前記所定方向に沿うように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
3. 所定のパターン光を被計測物に対し照射可能な第１照射手段と、
   前記被計測物に対し前記パターン光とは異なる第２の光を照射可能な第２照射手段と、
   所定の撮像領域が複数の領域に区画され、該区画された複数の領域からの出力をそれぞれ異なるチャンネルから並行して行う撮像素子を有し、前記各種光の照射された前記被計測物を撮像可能な撮像手段と、
   前記両照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とを所定方向に沿って相対移動可能な移動手段と、
   前記第１照射手段から照射された前記パターン光の下で、前記両照射手段及び前記撮像手段と前記被計測物とが所定量相対移動する毎に、前記撮像素子における前記複数の領域のうちの第１領域において撮像される前記被計測物上の各座標位置に係る複数のデータを取得可能な第１データ取得手段と、
   前記第１データ取得手段により取得された前記複数のデータを基に位相シフト法により前記被計測物上の各座標位置に係る三次元計測を実行可能な第１データ処理手段と、
   前記第２照射手段から照射された前記第２の光の下で、前記撮像素子における前記複数の領域のうち、前記第１領域とは前記所定方向に異なる第２領域において撮像されるデータを取得可能な第２データ取得手段と、
   前記第２データ取得手段により取得されたデータに基づき、所定の処理を実行可能な第２データ処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
4. 前記第２照射手段は、前記第２の光として、光強度が一定の均一光を照射可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の三次元計測装置。
5. 前記第２照射手段は、前記第２の光として、所定のパターン光を照射可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の三次元計測装置。
6. 前記被計測物は、クリーム半田が印刷されたプリント基板であること、又は、半田バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。

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