JP3723057B2 - 三次元計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の三次元形状等を位相シフト法を用いて計測する三次元計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
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。
【0003】
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、中でも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(特開平11−211443号公報、特許第2711042号等)。
【0004】
上記技術における三次元計測装置においては、CCDカメラが用いられる。すなわち、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、縞状の光強度分布を有する光パターンを測定物体(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CCDカメラを用いて観測する。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。
【0005】
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、下記式に基づいて位置情報θを求める。
【0006】
θ=arctan{(I3−I1)/(I0−I2)}
この位置情報θを用いて、プリント基板(クリームハンダ)上の点Pの3次元座標(X,Y,Z)が求められ、もってクリームハンダの三次元形状、特に高さが計測される。
【0007】
【発明が解決しょうとする課題】
ところで、上記技術における三次元計測装置においては、位相を4段階に変化させ、各段階に対応する強度分布をもつ4通りの画像を取得する必要がある。つまり、位相を変化させる度に撮像を行わなければならず、結果として1つのポイントに関し撮像を4回行う必要がある。このため、撮像に時間を要することとなり、ひいては、計測開始から終了までの時間が長いものとなってしまうおそれがある。
【0008】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、計測対象物の三次元形状を位相シフト法を用いて計測するに際し、計測に要する時間の短縮を図ることの可能な三次元計測装置を提供することを主たる目的の一つとしている。
【0009】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成し得る特徴的手段について以下に説明する。また、各手段につき、特徴的な作用及び効果を必要に応じて記載する。
【0010】
手段1.少なくとも計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる複数の光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段にて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少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。ここで、「位相シフト法」とは、被測定物(ここでは計測対象物)に対し、照明手段と撮像手段とを所定の角度をもって配置し、照明手段が所定周期の縞状の光を照射して得た映像と、同一周期で位相の異なる縞状の光を照射して得た1つ又は複数の映像とをもとにして、被測定物の高さを三角測量の原理により求める三次元計測の手法をいう。
【0011】
手段1によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、複数の光成分パターンが同時に照射される。ここで、各光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された複数通りの画像データに基づき、演算手段では、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、1つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【0012】
手段2.少なくとも計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも2つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段にて撮像された少なくとも2通りの画像データ及び別途の補正用データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【0013】
手段2によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも2つの光成分パターンが同時に照射される。ここで、各光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、前記異なる相対位相関係下において撮像手段にて撮像された少なくとも2通りの画像データ及び別途の補正用のデータに基づき、演算手段では、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、1つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【0014】
手段3.前記補正用データは、白色全照射された計測対象物からの反射光を撮像した画像データであることを特徴とする手段2に記載の三次元計測装置。
【0015】
手段3によれば、白色全照射された計測対象物からの反射光を別途撮像した画像データに基づいて補正がされた上で計測対象物の所定の高さが演算される。このため、所定の波長成分の光成分パターンを照射した場合、計測対象物の色合い等によって反射率が大きく相違する場合があるが、かかる場合でも反射率による影響を補正により相殺することができる。その結果、計測の精度の向上を図ることができる。
【0016】
手段6.少なくとも計測対象物に対し、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる3つの光成分パターンを同時に照射して第1の照射を行うとともに、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射を行うことの可能な照射手段と、前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第1の撮像を行うとともに、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第2の撮像を行うことの可能な撮像手段と、前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく3通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【0017】
手段6によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段では、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、3つの光成分パターンが同時に照射されることで第1の照射が行われる。これら光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、照射手段では、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射が行われる。これに対し、撮像手段では、前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が各光成分毎に分離されて撮像される第1の撮像が行われる。また、撮像手段では、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光が各光成分毎に分離されて撮像される第2の撮像が行われる。そして、異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく3通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、演算手段では、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、1つのポイントに関し2回の照射及び2回の撮像を行えばよく、照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。また、所定の波長成分の光成分パターンを照射した場合、計測対象物の色合い等によって反射率が大きく相違する場合があるが、かかる場合でも第2の撮像が行われることによって反射率による影響が相殺されることとなる。その結果、計測の精度の向上を図ることができる。
【0018】
手段7.前記第1の撮像に際しての前記互いに異なる相対位相関係をそれぞれ0、α、βとしたときの各光成分毎の前記3通りの画像データがそれぞれRs、Gs、Bsであり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の3通りの画像データがそれぞれRw、Gw、Bwであるとき、前記演算手段は、下記式(2)により位置情報θを求め、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算するものであることを特徴とする手段6に記載の三次元計測装置。
【0019】
【数3】
ここで、手段7に関し、3通りの相対位相関係をそれぞれ0、α、βとしたときの第1の撮像に際しての各光成分毎の3通りの画像データ(光強度)がそれぞれRs、Gs、Bsであり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の3通りの画像データ(光強度)がそれぞれRw、Gw、Bwであるとき、一般的には下式(2a),(2b),(2c),(2d),(2e),(2f)が成立することとなる。
【0020】
Rs=Mr(Asinθ+B) ・・・(2a)
Gs=Mg{Asin(θ+α)+B} ・・・(2b)
Bs=Mb{Asin(θ+β)+B} ・・・(2c)
Rw=Mr(A+B) ・・・(2d)
Gw=Mg(A+B) ・・・(2e)
Bw=Mb(A+B) ・・・(2f)
但し、Mr:ある点での赤色成分に対する反射率、Mg:ある点での緑色成分に対する反射率、Mb:ある点での青色成分に対する反射率、α≠0,β≠0,α≠β,A:振幅,B:オフセット成分
これらの式(2a)乃至(2f)により、上記式(2)が導き出される。
【0021】
このようにさほど複雑でない数式に基づいて位置情報θを求めることができ、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算することができる。そのため、3通りの画像データに基づいて計測対象物の所定の高さを求めるに際し、演算が複雑になってしまうことによる遅延が生じない。
【0022】
なお、「β=−αとしたことを特徴とする手段7に記載の三次元計測装置」としてもよい。かかる構成によれば、β=−αとすることで、上記式(2)から下記式(2g)が導き出される。
θ=ARCTAN[[(2Rs/Rw-Gs/Gw-Bs/Bw)sinα]/[(Gs/Gw-Bs/Bw)(1-cosα)]] ・・・(2g)
このため、演算がより容易なものとなり、より一層高速の処理が可能となる。
【0023】
さらに、「β=−α、かつ、α=π/2としたことを特徴とする手段7に記載の三次元計測装置」としてもよい。かかる構成によれば、上記式(2g)から下記式(2h)が導き出される。
【0024】
θ=ARCTAN[(2Rs/Rw-Gs/Gw-Bs/Bw)/(Gs/Gw-Bs/Bw)] ・・・(2h)
このため、演算がより一層容易なものとなり、より一層高速の処理が可能となる。
【0025】
手段8.前記互いに異なる波長成分を有する3つの光成分パターンは、それぞれ、赤色、緑色、青色の光成分パターンであることを特徴とする手段4乃至7のいずれかに記載の三次元計測装置。
【0026】
手段8によれば、波長域がオーバーラップしにくく、しかも比較的容易に第1の撮像を行うための照射手段を構成することができる。
【0027】
手段9.少なくとも計測対象物に対し、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる4つの光成分パターンを同時に照射して第1の照射を行うとともに、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射を行うことの可能な照射手段と、前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第1の撮像を行うとともに、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第2の撮像を行うことの可能な撮像手段と、前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく4通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【0028】
手段9によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段では、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、4つの光成分パターンが同時に照射されることで第1の照射が行われる。これら光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、照射手段では、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射が行われる。これに対し、撮像手段では、前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が各光成分毎に分離されて撮像される第1の撮像が行われる。また、撮像手段では、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光が各光成分毎に分離されて撮像される第2の撮像が行われる。そして、異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく4通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、演算手段では、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、1つのポイントに関し2回の照射及び2回の撮像を行えばよく、照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。また、所定の波長成分の光成分パターンを照射した場合、計測対象物の色合い等によって反射率が大きく相違する場合があるが、かかる場合でも第2の撮像が行われることによって反射率による影響が相殺されることとなる。その結果、計測の精度の向上を図ることができる。
【0029】
手段10.前記第1の撮像に際しての前記互いに異なる相対位相関係をそれぞれ0、α、β、γとしたときの各光成分毎の前記4通りの画像データがそれぞれRs、Gs、Bs、Isであり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の4通りの画像データがそれぞれRw、Gw、Bw、Iwであるとき、前記演算手段は、下記式(3)により位置情報θを求め、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算するものであることを特徴とする手段9に記載の三次元計測装置。
【0030】
【数4】
ここで、手段10に関し、4通りの相対位相関係をそれぞれ0、α、β、γとしたときの第1の撮像に際しての各光成分毎の4通りの画像データ(光強度)がそれぞれRs、Gs、Bs、Isであり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の3通りの画像データ(光強度)がそれぞれRw、Gw、Bw、Iwであるとき、一般的には下式(3a),(3b),(3c),(3d),(3e),(3f)、(3g),(3h)が成立することとなる。
【0031】
Rs=Mr(Asinθ+B) ・・・(3a)
Gs=Mg{Asin(θ+α)+B} ・・・(3b)
Bs=Mb{Asin(θ+β)+B} ・・・(3c)
Is=Mi{Asin(θ+γ)+B} ・・・(3d)
Rw=Mr(A+B) ・・・(3e)
Gw=Mg(A+B) ・・・(3f)
Bw=Mb(A+B) ・・・(3g)
Iw=Mi(A+B) ・・・(3h)
但し、Mr:ある点での赤色成分に対する反射率、Mg:ある点での緑色成分に対する反射率、Mb:ある点での青色成分に対する反射率、Mi:ある点での赤外成分に対する反射率、α≠0,β≠0,α≠β,A:振幅,B:オフセット成分
これらの式(3a)乃至(3h)により、上記式(3)が導き出される。
【0032】
このようにさほど複雑でない数式に基づいて位置情報θを求めることができ、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算することができる。そのため、4通りの画像データに基づいて計測対象物の所定の高さを求めるに際し、演算が複雑になってしまうことによる遅延が生じない。
【0033】
なお、「α=π/2、β=π、γ=3π/2としたことを特徴とする手段10に記載の三次元計測装置」としてもよい。かかる構成によれば、上記式(3)から下記式(3i)が導き出される。
【0034】
θ=ARCTAN{(Rs/Rw-Bs/Bw)/(Gs/Gw-Is/Iw)} ・・・(3i)
このため、演算がより一層容易なものとなり、より一層高速の処理が可能となる。
【0035】
手段11.前記互いに異なる波長成分を有する4つの光成分パターンは、それぞれ、赤色、緑色、青色及び赤外線の光成分パターンであることを特徴とする手段9又は10に記載の三次元計測装置。
【0036】
手段11によれば、波長域がオーバーラップしにくく、しかも比較的容易に第1の撮像を行うための照射手段を構成することができる。
【0037】
手段12.少なくとも計測対象物に対し、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる2つの光成分パターンを同時に照射して第1の照射を行うとともに、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射を行うことの可能な照射手段と、前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第1の撮像を行うとともに、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第2の撮像を行うことの可能な撮像手段と、前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく2通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【0038】
手段12によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段では、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、2つの光成分パターンが同時に照射されることで第1の照射が行われる。これら光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、照射手段では、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射が行われる。これに対し、撮像手段では、前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が各光成分毎に分離されて撮像される第1の撮像が行われる。また、撮像手段では、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光が各光成分毎に分離されて撮像される第2の撮像が行われる。そして、異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく2通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、演算手段では、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、1つのポイントに関し2回の照射及び2回の撮像を行えばよく、照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。また、所定の波長成分の光成分パターンを照射した場合、計測対象物の色合い等によって反射率が大きく相違する場合があるが、かかる場合でも第2の撮像が行われることによって反射率による影響が相殺されることとなる。その結果、計測の精度の向上を図ることができる。
【0039】
手段13.前記互いに異なる相対位相関係を0、αとしたときの前記第1の撮像に際しての各光成分毎の前記2通りの画像データがそれぞれR0、B0であり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の2通りの画像データがそれぞれR0h、B0hであるとき、前記演算手段は、下記式(4)により位置情報θを求め、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算するものであることを特徴とする手段12に記載の三次元計測装置。
【0040】
θ=ARCTAN{K・sinα/(1−K・cosα)}・・・(4)
但し、α≠0,π、 K=(R0/R0h−1)/(B0/B0h−1)
ここで、手段13に関し、2通りの相対位相関係をそれぞれ0、αとしたときの第1の撮像に際しての各光成分毎の2通りの画像データ(光強度)がそれぞれR0、B0であり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の2通りの画像データ(光強度)がそれぞれR0h、B0hであるとき、一般的には下式(4a),(4b),(4c),(4d)が成立することとなる。
【0041】
R0=Mrr(Ar・sinθ+Br) ・・・(4a)
B0=Mbb{Ab・sin(θ+α)+Bb} ・・・(4b)
R0h=Mrr・Br ・・・(4c)
B0h=Mbb・Bb ・・・(4d)
但し、Mrr:ある点での所定波長成分に対する反射率、Mbb:ある点での所定波長成分に対する反射率、α≠0、A:振幅、B:オフセット成分
これらの式(4a)乃至(4d)により、上記式(4)が導き出される。
【0042】
このようにさほど複雑でない数式に基づいて位置情報θを求めることができ、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算することができる。そのため、2通りの画像データに基づいて計測対象物の所定の高さを求めるに際し、演算が複雑になってしまうことによる遅延が生じない。
【0043】
なお、「「α=π/2としたことを特徴とする手段13に記載の三次元計測装置」としてもよい。かかる構成によれば、上記式(4)から下記式(4e)が導き出される。
【0044】
θ=ARCTAN{R0/R0h−1)/(B0/B0h−1)}…(4e)
このため、演算がより一層容易なものとなり、より一層高速の処理が可能となる。
【0045】
手段14.前記互いに異なる波長成分を有する2つの光成分パターンは、それぞれ、赤色及び青色、赤外線及び緑色、又は赤外線及び青色の光成分パターンであることを特徴とする手段12又は13に記載の三次元計測装置。
【0046】
手段14によれば、波長域が一層オーバーラップしにくく、しかも比較的容易に第1の撮像を行うための照射手段を構成することができる。
【0047】
手段15.前記照射手段は、第1の照射に際し、光源からの光を、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる各光成分パターンに一旦分離した上で合成して照射可能な液晶プロジェクタ機構を備えていることを特徴とする手段4乃至14のいずれかに記載の三次元計測装置。
【0048】
手段15によれば、縞状の光成分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、三次元計測の測定分解能が向上する。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もできる。また、第2の照射を行うときも、正弦波パターンを解消するだけで、つまり全照射するだけで、白色光を照射することが可能となる。かかる意味で、別途白色光用の照明装置当を用意しなくても済むというメリットも生じる。
【0049】
手段16.前記照射手段は、第1の照射に際し、光源からの光を、所定の波長成分について縞状に遮光するとともに残りの波長成分について全面的に透光を許容するフィルタ格子縞板を用いて、互いに相対位相関係の異なる各光成分パターンを同時に照射可能なフィルタ格子縞板機構を備えていることを特徴とする手段4乃至14のいずれかに記載の三次元計測装置。
【0050】
手段16によれば、液晶を使用しなくてもよい分、構成の簡素化を図ることができる。
【0051】
手段17.前記光成分パターンは、略正弦波状の光強度分布を有することを特徴とする手段1乃至16のいずれかに記載の三次元計測装置。
【0052】
手段17によれば、光成分パターンは、略正弦波状の光強度分布を有するため、より一層の計測精度の向上を図ることができる。
【0053】
手段18.手段1乃至17のいずれかに記載の三次元計測装置を備え、プリント基板又はICパッケージに印刷形成されたクリームハンダの少なくとも高さを計測し、その計測値に基づいて良否判定を導出することの可能なクリームハンダ印刷検査装置。
【0054】
手段18によれば、プリント基板又はICパッケージに印刷形成されたクリームハンダの少なくとも高さが計測され、その計測値に基づいて良否判定が行われる。このため、クリームハンダの計測に際して上記各作用効果が奏され、しかも精度よく良否判定を行うことができる。
【0055】
手段19.プリント基板又はICパッケージにクリームハンダを印刷形成する工程と、上記手段18に記載のクリームハンダ印刷検査装置を用いて良否判定を行う検査工程と、前記検査工程において良品判定されたものについてのみ実装を行うべくリフローを施すリフロー工程とを備えたことを特徴とする基板の製造方法。
【0056】
手段19によれば、検査に要する時間の短縮を図ることができることから、全体的な製造時間の低減を図ることができ、しかも不良品の発生を抑制することができる。
【0057】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、第1の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【0058】
図1は、本実施の形態における三次元計測装置を具備する印刷状態検査装置1を模式的に示す概略構成図である。同図に示すように、印刷状態検査装置1は、クリームハンダの印刷されてなるプリント基板Kを載置するためのテーブル2と、プリント基板Kの表面に対し斜め上方から所定の光成分パターンを照射するための照射手段を構成する照明装置3と、プリント基板K上の前記照射された部分を撮像するための撮像手段を構成するCCDカメラ4とを備えている。なお、本実施の形態におけるクリームハンダは、プリント基板K上に設けられた銅箔からなる電極パターン上に印刷形成されている。
【0059】
テーブル2には、モータ5,6が設けられており、該モータ5,6によって、テーブル2上に載置されたプリント基板K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。
【0060】
本実施の形態における照明装置3からは、赤、緑、青のそれぞれ波長の異なるカラー光パターンが照射されるようになっている。より詳しくは、図2に示すように、照明装置3は、光源11と、光源11からの光を集める集光レンズ12と、照射レンズ13と、両レンズ12,13間に配設された赤、緑、青色のフィルタ格子縞板14,15,16とを備えている。赤色フィルタ格子縞板14は、部位に応じて赤色の度合いが正弦波状(縞状)に変化しており、赤色の成分についてのみ縞状に遮光(透光)させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。また、緑色フィルタ格子縞板15は、部位に応じて緑色の度合いが正弦波状(縞状)に変化しており、緑色の成分についてのみ縞状に遮光(透光)させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。但し、その正弦波は、赤色フィルタ格子縞板14に比べて位相が所定ピッチ(本実施の形態では「π/2」)ずれている(図3参照)。さらに、青色フィルタ格子縞板16は、部位に応じて青色の度合いが正弦波状(縞状)に変化しており、青色の成分についてのみ縞状に遮光(透光)させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。但し、その正弦波は、前記緑色フィルタ格子縞板15に比べて位相が所定ピッチ(本実施の形態では「π/2」)ずれている(図3参照)。つまり、これら赤、緑、青色のフィルタ格子縞板14,15,16は、互いに位相が所定ピッチずらされた状態で張り合わされている(勿論、相互に離間していても差し支えない)。さらには、1枚の格子縞板に、赤、緑、青色の塗装(又は印刷)を施すとともに、当該塗装(又は印刷)に際し、各色の位相が互いに所定ピッチずらされるように構成してもよい。上記の場合には、各色の度合いが必ずしも正弦波状とならなくとも矩形波状となっていても差し支えない。また、さらに、一枚の透明な板に、赤、黄、シアン、青、赤、黄、シアン、青・・・・の順に縞を塗装(又は印刷)することにより、格子縞板を構成してもよい。この場合には、黄は赤と緑とを透過する塗料によって構成され、シアンは緑と青とを透過する塗料によって構成される。また、赤から黄、黄からシアン、シアンから青、青から赤は、徐々に変化してもよいし、明確に塗り分けられていてもよい。
【0061】
そして、光源11から放たれた光は、集光レンズ12、前記各色フィルタ格子縞板14,15,16、及び照射レンズ12を経て図4に示すようなカラー光パターンとしてプリント基板K上に照射されるようになっている。
【0062】
なお、後述する対比撮像に際しては、前記各色フィルタ格子縞板14,15,16が取り除かれた状態で、白色光がプリント基板K上に照射されるようになっている(第2の照射)。この場合、対比撮像に際し色フィルタ格子縞板14,15,16を取り除く構成としてもよいし、別途の白色光用の照明装置3を用いることとしてもよい。
【0063】
また、前記CCDカメラ4は、第1〜第3のダイクロイックミラー21,22,23及びそれらに対応する第1〜第3の撮像部24,25,26を備えている。すなわち、第1のダイクロイックミラー21は、所定の波長域内(赤色光に対応)の光を反射(それ以外の波長の光を透過)し、第1の撮像部24はその反射光を撮像する。また、第2のダイクロイックミラー22は、所定の波長域内(緑色光に対応)の光を反射(それ以外の波長の光を透過)し、第2の撮像部25はその反射光を撮像する。さらに、第3のダイクロイックミラー(通常のミラーを用いてもよい)23は、所定の波長域内(青色光に対応)の光を反射(それ以外の波長の光を透過)し、第3の撮像部26はその反射光を撮像する。
【0064】
本実施の形態においては、図1,2に示すように、前記CCDカメラ4、照明装置3、モータ5,6を駆動制御するとともに、CCDカメラ4により撮像された撮像データに基づき種々の演算を実行するための制御装置7が設けられている。すなわち、プリント基板Kがテーブル2上に載置されると、制御装置7は、まずモータ5,6を駆動制御して所定の位置に移動させ、プリント基板Kを初期位置に移動させる。この初期位置は、例えばCCDカメラ4の視野の大きさを1単位としてプリント基板Kの表面を予め分割しておいた中の1つの位置である。また、制御装置7は、照明装置3を駆動制御して光成分パターンの照射を開始する。このとき、光成分パターンには、位相が所定ピッチで相違する複数の波長域のものが含まれているため、従来のように位相を所定ピッチずつシフトさせるといった処理を必要としない。さらに、このようにして各光成分パターンの位相がずらされた一斉照射が行われている間に、制御装置7はCCDカメラ4を駆動制御して、これら各波長域毎に(撮像部24〜26)ごとに検査エリア部分を一斉に撮像し、それぞれ3画面分の画像データを得る(第1の撮像)。
【0065】
制御装置7は画像メモリを備えており、3画面分の画像データを順次記憶する。この記憶した画像データに基づいて、制御装置7は各種画像処理を行う。かかる画像処理が行われている間に、制御装置7は、モータ5,6を駆動制御してテーブル2を次の検査エリアへと移動せしめる。制御装置7は、ここでの画像データについても画像メモリへ格納する。一方、画像メモリでの画像処理が一旦終了した場合、すでに画像メモリには次の画像データが記憶されているので、速やかに制御装置7は次の画像処理を行うことができる。つまり、検査は、一方で次なる検査エリア(m+1番目)への移動及び画像入力を行い、他方ではm番目の画像処理及び比較判定を行う。以降、全ての検査エリアでの検査が完了するまで、交互に同様の上記並行処理が繰り返し行われる。このように、本実施の形態の印刷状態検査装置1においては、制御装置7の制御により検査エリアを移動しながら、順次画像処理を行うことにより、プリント基板K上のクリームハンダ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。
【0066】
次に、対比撮像を行う。すなわち、上述したように、照明装置3から、白色光をプリント基板K上に照射して(第2の照射)、このときの反射光をCCDカメラ4を用いて上記の場合と同様に撮像する(第2の撮像)。
【0067】
次に、制御装置7の行う画像処理及び演算処理、並びに、比較判定処理について説明する。プリント基板Kに投影された光パターンに関して、プリント基板K面上とクリームハンダとの間では、その高さの相違に基づく位相のずれが生じる。そこで、制御装置7では、光パターンの位相が所定ピッチずつずれた各波長域での画像データ(本実施の形態では3画面の画像データ)に基づき、位相シフト法(縞走査法)の原理に基づいて検査エリア内の各部の反射面の高さを算出するのである。
【0068】
すなわち、本実施の形態の如く赤色、緑色、青色のぞれぞれの位相を所定ピッチ(π/2)ずつずらした場合の画面上の点Pの光の強度Rs、Gs、Bsは、それぞれ下式で与えられる。
【0069】
Rs=Mr(Asinθ+B) ・・・(2a’)
Gs=Mg{Asin(θ+π/2)+B} ・・・(2b’)
Bs=Mb{Asin(θ−π/2)+B} ・・・(2c’)
但し、Mr:点Pでの赤色成分に対する反射率,Mg:点Pでの緑色成分に対する反射率,Mb:点Pでの青色成分に対する反射率、A:振幅、B:オフセット成分,θ:高さを導出するための位置情報。
【0070】
また、白色光を照射した場合の点Pの光の強度Rw、Gw、Bwは、それぞれ下式で与えられる。
【0071】
Rw=Mr(A+B) ・・・(2d’)
Gw=Mg(A+B) ・・・(2e’)
Bw=Mb(A+B) ・・・(2f’)
これら式(2a’)〜(2f’)に基づき、Mr,Mg,Mbを消去すると、下式(2g’)が導き出される。
【0072】
tanθ=[(2Rs/Rw-Gs/Gw-Bs/Bw)]/[(Gs/Gw-Bs/Bw)] ・・・(2g’)
かかる式(2g’)より、下記式(2g)が導き出される。
【0073】
θ=ARCTAN{(2Rs/Rw-Gs/Gw-Bs/Bw)/(Gs/Gw-Bs/Bw)} ・・・(2g)
このように演算された位置情報θを用いて、下記式に基づいてプリント基板K(クリームハンダ)上の点Pの高さZを求める。
【0074】
ここで、照明装置3の鉛直線と、照明装置3から点Pに向けて照射したときの照射光線とのなす角をεとすると、当該角εは、下式(5)により表される。
【0075】
ε=f(θ+2nπ) ・・(5)
そして、高さZは、下記式(6)に従って導き出される。
【0076】
Z=Lp−Lpc/tanε+Xp/tanε ・・(6)
(但し、Lp:照明装置3の基準面からの高さ、Lpc:CCDカメラ4と照明装置3とのX軸方向の距離、Xp:点PのX座標。)
このようにして得られた点Pの高さデータは、撮像画面の画素P単位に演算され、制御装置7のメモリに格納される。また、当該各部のデータに基づいて、基準面より高くなったクリームハンダの印刷範囲が検出され、この範囲内での各部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の位置、面積、高さ又は量等のデータが予め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、その検査エリアにおけるクリームハンダの印刷状態の良否が判定されるのである。
【0077】
以上詳述したように、本実施の形態によれば、異なる相対位相関係下においてCCDカメラ4による第1の撮像に基づく3通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、クリームハンダの高さを演算することとした。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、1つのポイントに関し2回の照射及び2回の撮像を行えばよく、照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、その結果、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。また、所定の波長成分の光成分パターンを照射した場合、計測対象物の色合い等によって反射率が大きく相違する場合があるが、かかる場合でも第2の撮像が行われることによって反射率による影響が相殺されることとなる。その結果、計測の精度の向上を図ることができる。
【0078】
また、3通りずつの画像データに基づいてクリームハンダの高さを求めることができることから、4回の撮像データに基づいて演算されていた従来技術に比べて、総合的なデータ数が少なくて済み、ひいては演算時間の著しい短縮を図ることができる。その結果、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。
【0079】
特に、本実施の形態ではさほど複雑でない数式に基づいて位置情報θを求めることができ、該位置情報θに基づき高さを演算することができる。そのため、演算が複雑になってしまうことによる遅延が生じずに、上記作用効果が確実に奏される。
【0080】
さらに、上記例において、照明装置3は、フィルタ格子縞板14〜16を用いて、互いに相対位相関係の異なる各光成分パターンを合成して照射可能なフィルタ格子縞板機構を備えている。このため、液晶を使用しなくてもよい分、構成の簡素化を図ることができる。
【0081】
なお、上記例では、集光レンズ12及び照射レンズ13間に赤、緑、青の色フィルタ格子縞板14,15,16を配設してなる照明装置3を用いることとした。これに対し、例えば図5に示すような照明装置30を用いることとしてもよい。すなわち、照明装置30は、第1〜第3のダイクロイックミラー31,32A,32B,33A,33B及びミラー34を備えているとともに、赤色、緑色、青色の各液晶パネル35,36,37を備えている。第1のダイクロイックミラー31は、所定の波長域内(赤色光に対応)の光を反射し、それ以外の波長域の光を透過する。また、第2のダイクロイックミラー32A,32Bは、所定の波長域内(緑色光に対応)の光を反射し、それ以外の波長域の光を透過する。さらに、第3のダイクロイックミラー33A,33Bは、所定の波長域内(青色光に対応)の光を反射し、それ以外の波長域の光を透過する(但し、第3の上流側のダイクロイックミラー33Aに代えて通常のミラーを用いてもよい)。
【0082】
従って、光源11から放たれた光は、集光レンズ12を経た後、第1のダイクロイックミラー31によってまず分光される。すなわち、赤色成分の光は、第1のダイクロイックミラー31によって反射して赤色液晶パネル35を透過して、ミラー34へと導かれ、該ミラー34にて反射して第2の下流側のダイクロイックミラー32Bへと導かれる。一方、第1のダイクロイックミラー31を透過した赤色以外の成分の光は、第2の上流側のダイクロイックミラー32Aの方へ導かれ、そこで、また分光される。このとき、緑色成分の光は、第2の上流側のダイクロイックミラー32Aによって反射して緑色液晶パネル36を透過して、相対する第2の下流側のダイクロイックミラー32Bへと導かれる。従って、第2の下流側のダイクロイックミラー32Bからは、赤色成分の光と、緑色成分の光が第3の下流側ダイクロイックミラー33Bの方へと導かれる。
【0083】
一方、第2の上流側のダイクロイックミラー32Aを透過した緑色以外の成分の光(ここでは主として青色成分の光)は、第3の上流側のダイクロイックミラー33Aの方へ導かれる。該第3の上流側のダイクロイックミラー33Aによって反射した青色成分の光は、青色液晶パネル37を透過して、相対する第3の下流側のダイクロイックミラー33Bへと導かれる。従って、第3の下流側のダイクロイックミラー33Bからは、赤色成分の光と、緑色成分の光と、青色成分の光が合成されて照射レンズ13の方へと導かれる。
【0084】
このとき、制御装置7は液晶パネル35,36,37を適宜制御して各色成分の位相ピッチをずらすようにする。このように、赤、緑、青の光成分につき3通りの相対位相関係下において、CCDカメラ4にて撮像された3通りの画像データに基づき、位相シフト法に基づいて(上記各式に基づいて)クリームハンダの高さを演算するようにしてもよい。上記のように、照明装置3に液晶パネル35〜37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、三次元計測の測定分解能が向上する。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もできる。また、対比撮像として白色光を照射するときも、正弦波パターンを解消するだけで、つまり全照射するだけで、白色光を照射することが可能となる。かかる意味で、別途白色光用の照明装置当を用意しなくても済むというメリットも生じる。なお、上記例において、液晶パネル35〜37に代えて、格子縞板を用いることとしてもよい。
【0085】
さらに、本実施の形態及び上記例では、対比撮像として白色光を照射して、対象物体の色に基づく反射率の成分を消去することとしているが、測定物体の色に基づく反射率が問題とならないような場合(例えば測定物体が1色のような場合)には、対比撮像(第2の撮像)を行わないこととしてもよい。この場合、画素点Pに関し撮像回数を1回にすることができ、計測時間のさらに一層の短縮化を図ることができる。
【0086】
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について図6等を参照しつつ説明する。但し、上述した第1の実施の形態と重複する部分については、同一の部材名称、同一の符号を用いる等してその説明を省略するとともに、以下には第1の実施の形態と相違する部分を中心として説明することとする。
【0087】
図6に示すように、本実施の形態における照明装置40は、光源11と、光源11からの光を集める集光レンズ12と、照射レンズ13と、両レンズ12,13間に配設された赤、緑、青及び赤外のフィルタ格子縞板14,15,16,41とを備えている。赤外フィルタ格子縞板41は、外観は無色透明ではあるが、赤外成分についてのみ縞状に減衰させるようになっている。但し、その正弦波は、青色フィルタ格子縞板16に比べてさらに位相が所定ピッチ(本実施の形態では「π/2」)ずれている。つまり、これら赤、緑、青及び赤外のフィルタ格子縞板14,15,16は、互いに位相が所定ピッチずらされた状態で張り合わされている(勿論、相互に離間していても差し支えない)。さらには、1枚の格子縞板に、赤、緑、青色及び赤外の塗装(又は印刷)を施すとともに、当該塗装(又は印刷)に際し、各色等の位相が互いに所定ピッチずらされるように構成してもよい。上記の場合には、各色の度合いが必ずしも正弦波状とならなくとも矩形波状となっていても差し支えない(後述する第3の実施の形態においても同様)。
【0088】
そして、光源11から放たれた光は、集光レンズ12、前記各色フィルタ格子縞板14,15,16,41、及び照射レンズ12を経てカラー光パターンとしてプリント基板K上に照射されるようになっている。
【0089】
なお、対比撮像に際しては、上記第1の実施の形態と同様、フィルタ格子縞板14,15,16,41が取り除かれた状態で、白色光がプリント基板K上に照射され、撮像されるようになっている。この場合、対比撮像に際しフィルタ格子縞板14,15,16,41を取り除く構成としてもよいし、別途の白色光用の照明装置を用いることとしてもよい。
【0090】
また、前記CCDカメラ4は、前記第1〜第3のダイクロイックミラー21,22,23及びそれらに対応する第1〜第3の撮像部24,25,26に加えて、第4のダイクロイックミラー42及び第4の撮像部43を備えている。すなわち、第4のダイクロイックミラー(通常のミラーを用いてもよい)42は、所定の波長域内(赤外線に対応)の光を反射し、第4の撮像部43はその透過光を撮像する。
【0091】
次に、本実施の形態において制御装置7によって行われる画像処理及び演算処理、並びに、比較判定処理について説明する。本実施の形態においても、制御装置7では、光パターンの位相が所定ピッチずつずれた各波長域での画像データ(本実施の形態では4画面の画像データ)に基づき、位相シフト法(縞走査法)の原理に基づいて検査エリア内の各部の反射面の高さを算出する。
【0092】
すなわち、本実施の形態の如く赤色、緑色、青色、赤外のぞれぞれの位相を所定ピッチ(π/2)ずつずらした場合の画面上の点Pの光の強度Rs、Gs、Bs、Isは、それぞれ下式で与えられる。
【0093】
Rs=Mr(Asinθ+B) ・・・(3a’)
Gs=Mg{Asin(θ+π/2)+B} ・・・(3b’)
Bs=Mb{Asin(θ+π)+B} ・・・(3c’)
Is=Mi{Asin(θ+3π/2)+B} ・・・(3d’)
但し、Mi:点Pでの赤外成分に対する反射率。
【0094】
また、白色光を照射した場合の点Pの光の強度Rw、Gw、Bwは、それぞれ下式で与えられる。
【0095】
Rw=Mr(A+B) ・・・(3e’)
Gw=Mg(A+B) ・・・(3f’)
Bw=Mb(A+B) ・・・(3g’)
Iw=Mi(A+B) ・・・(3h’)
これら式(3a’)〜(3h’)に基づき、Mr,Mg,Mb,Miを消去すると、下式(3i’)が導き出される。
【0096】
tanθ=(Rs/Rw-Bs/Bw)/(Gs/Gw-Is/Iw) ・・・(3i’)
かかる式(3i’)より、下記式(3i)が導き出される。
【0097】
θ=ARCTAN{(Rs/Rw-Bs/Bw)/(Gs/Gw-Is/Iw)} ・・・(3i)
このように演算された位置情報θを用いて、上記と同様にプリント基板K(クリームハンダ)上の点Pの高さZが求められ、もってクリームハンダの印刷状態の良否が判定される。
【0098】
このように、本実施の形態においても、上述した第1の実施の形態と同様の作用効果が奏される。また特に、画像データがそれぞれ4通りであるため、演算式の簡素化を図ることができ、かかる点で処理の高速化を図ることができる。
【0099】
なお、上記例では、集光レンズ12及び照射レンズ13間に赤、緑、青、赤外のフィルタ格子縞板14,15,16,41を配設してなる照明装置40を用いることとした。これに対し、例えば図7に示すような照明装置50を用いることとしてもよい。すなわち、照明装置50は、第1〜第3のダイクロイックミラー31,32A,32B,33A,33B及びミラー34、並びに、赤色、緑色、青色の各液晶パネル35,36,37を備えているとともに、第4のダイクロイックミラー51A,51B及び赤外液晶パネル52を備えている。第4のダイクロイックミラー51A,51Bは、所定の波長域内(赤外光に対応)の光を反射し、それ以外の波長域の光を透過する。(但し、第4の上流側のダイクロイックミラー51Aに代えて通常のミラーを用いてもよい)。
【0100】
従って、光源11から放たれた光は、集光レンズ12を経た後、第1のダイクロイックミラー31によってまず分光される。すなわち、赤色成分の光は、第1のダイクロイックミラー31によって反射して赤色液晶パネル35を透過して、ミラー34へと導かれ、該ミラー34にて反射して第2の下流側のダイクロイックミラー32Bへと導かれる。一方、第1のダイクロイックミラー31を透過した赤色以外の成分の光は、第2の上流側のダイクロイックミラー32Aの方へ導かれ、そこで、また分光される。このとき、緑色成分の光は、第2の上流側のダイクロイックミラー32Aによって反射して緑色液晶パネル36を透過して、相対する第2の下流側のダイクロイックミラー32Bへと導かれる。従って、第2の下流側のダイクロイックミラー32Bからは、赤色成分の光と、緑色成分の光が第3の下流側ダイクロイックミラー33Bの方へと導かれる。
【0101】
一方、第2の上流側のダイクロイックミラー32Aを透過した緑色以外の成分の光は、第3の上流側のダイクロイックミラー33Aの方へ導かれる。該第3の上流側のダイクロイックミラー33Aによって反射した青色成分の光は、青色液晶パネル37を透過して、相対する第3の下流側のダイクロイックミラー33Bへと導かれる。従って、第3の下流側のダイクロイックミラー33Bからは、赤色成分の光と、緑色成分の光と、青色成分の光が合成されて照射レンズ13の方へと導かれる。
【0102】
さらに、第3の上流側のダイクロイックミラー33Aを透過した青色以外の成分の光(ここでは赤外光)は、第4の上流側のダイクロイックミラー51Aの方へ導かれる。該第4の上流側のダイクロイックミラー51Aによって反射した赤外成分の光は、赤外液晶パネル52を透過して、相対する第4の下流側のダイクロイックミラー51Bへと導かれる。従って、第4の下流側のダイクロイックミラー51Bからは、赤色成分の光と、緑色成分の光と、青色成分の光と、赤外成分の光が合成されて照射レンズ13の方へと導かれる。
【0103】
このとき、制御装置7は液晶パネル35,36,37、52を適宜制御して各色成分の位相ピッチをずらすようにする。このように、赤、緑、青、赤外の光成分につき4通りの相対位相関係下において、CCDカメラ4にて撮像された4通りの画像データに基づき、位相シフト法に基づいて(上記各式に基づいて)クリームハンダの高さを演算するようにしてもよい。
【0104】
さらに、本実施の形態及び上記例では、対比撮像として白色光を照射して、対象物体の色に基づく反射率の成分を消去することとしているが、測定物体の色に基づく反射率が問題とならないような場合(例えば測定物体が1色のような場合)には、対比撮像を行わないこととしてもよい。この場合、画素点Pに関し撮像回数を1回にすることができ、計測時間のさらに一層の短縮化を図ることができる。
【0105】
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態について図8等を参照しつつ説明する。但し、上述した各実施の形態と重複する部分については、同一の部材名称、同一の符号を用いる等してその説明を省略するとともに、以下には上記各実施の形態と相違する部分を中心として説明することとする。
【0106】
図8に示すように、本実施の形態における照明装置60は、光源11と、光源11からの光を集める集光レンズ12と、照射レンズ13と、両レンズ12,13間に配設された赤及び青のフィルタ格子縞板14,16とを備えている。赤色フィルタ格子縞板14は、部位に応じて赤色の度合いが正弦波状(縞状)に変化しており、赤色の成分についてのみ縞状に減衰させるようになっている。また、青色フィルタ格子縞板16は、部位に応じて青色の度合いが正弦波状(縞状)に変化しており、青色の成分についてのみ縞状に減衰させるようになっている。但し、その正弦波は、赤色フィルタ格子縞板14に比べて位相が所定ピッチ(本実施の形態では例えば「α」)ずれている。
【0107】
そして、光源11から放たれた光は、集光レンズ12、前記各色フィルタ格子縞板14,16及び照射レンズ12を経てカラー光パターンとしてプリント基板K上に照射されるようになっている。なお、対比撮像に際しては、フィルタ格子縞板14,16が取り除かれた状態で、白色光がプリント基板K上に照射されるようになっている。この場合、対比撮像に際しフィルタ格子縞板14,16を取り除く構成としてもよいし、別途の白色光用の照明装置を用いることとしてもよい。
【0108】
また、前記CCDカメラ4は、第1の実施の形態における前記第1、第3のダイクロイックミラー21,23及びそれらに対応する第1、第3の撮像部24,26を備えている。
【0109】
次に、本実施の形態において制御装置7によって行われる画像処理及び演算処理、並びに、比較判定処理について説明する。本実施の形態においても、制御装置7では、光パターンの位相が所定ピッチずれた各波長域での画像データ(本実施の形態では2画面分の画像データ)に基づき、位相シフト法(縞走査法)の原理に基づいて検査エリア内の各部の反射面の高さを算出する。但し、本実施の形態では、赤及び青の光パターンに関し、それぞれの光源11の振幅及びオフセット成分が予め同じになるよう光源11を調整しておく必要がある。また、これとともに、オフセット成分除去用の白色光の光源11についても同様に振幅及びオフセット成分が予め同じ(Ar=Ab,Br=Bb)になるよう光源11を調整しておく必要がある。
【0110】
そして、このように調整した上で、本実施の形態の如く赤色、青色の位相を所定ピッチ(例えばα)ずらした場合の画面上の点Pの光の強度R0、B0は、それぞれ下式(4a)、(4b)で与えられる[但し、位相を所定ピッチずらしクリームハンダを撮像した場合、クリームハンダの反射率が前記調整(光源補正)を行った場合と異なることが考えられるのでこの場合の反射率をそれぞれMrr、Mbbとする]。
【0111】
R0=Mrr(Ar・sinθ+Br) ・・・(4a)
B0=Mbb{Ab・sin(θ+α)+Bb} ・・・(4b)
但し、Ar:光源補正時の赤色成分の振幅、Ab:光源補正時の青色成分の振幅、Br:光源補正時の赤色成分のオフセット成分、Bb:光源補正時の青色成分のオフセット成分。
【0112】
また、白色光を照射した場合の点Pの光の強度R0h、B0hは、それぞれ下式(4c)、(4d)で与えられる。
【0113】
R0h=Mrr・Br ・・・(4c)
B0h=Mbb・Bb ・・・(4d)
これら式(4a)〜(4d)に基づき、下式(4)が導き出される。
【0114】
θ=ARCTAN{K・sinα/(1−K・cosα)}・・・(4)
但し、α≠0,π、 K=(R0/R0h−1)/(B0/B0h−1)
特に、α=π/2とした場合、上記式(4)より下記式(4e)が導き出される。
【0115】
θ=ARCTAN{(R0/R0h−1)/(B0/B0h−1)}…(4e)
このように演算された位置情報θを用いて、上記と同様にプリント基板K(クリームハンダ)上の点Pの高さZが求められ、もってクリームハンダの印刷状態の良否が判定される。
【0116】
このように、本実施の形態においても、上述した第1、第2の実施の形態と同様の作用効果が奏される。また特に、画像データがそれぞれ2通りであるため、位相の異なる光成分パターンの各波長域として全く別のもの(波長域の離れたもの同士)を採用することで、波長のオーバーラップによる悪影響を防止することができ、ひいては、正確な測定を行うことができる。
【0117】
なお、上記例では、集光レンズ12及び照射レンズ13間に赤、青のフィルタ格子縞板14,16を配設してなる照明装置60を用いることとした。これに対し、例えば図9に示すような照明装置70を用いることとしてもよい。すなわち、照明装置70は、第1、及び第3のダイクロイックミラー31,33A,33B及びミラー34、並びに、赤色、青色の各液晶パネル35,37を備えている。
【0118】
従って、光源11から放たれた光は、集光レンズ12を経た後、第1のダイクロイックミラー31によってまず分光される。すなわち、赤色成分の光は、第1のダイクロイックミラー31によって反射して赤色液晶パネル35を透過して、ミラー34へと導かれ、該ミラー34にて反射して第3の下流側のダイクロイックミラー33Bへと導かれる。一方、第1のダイクロイックミラー31を透過した赤色以外の成分の光は、第3の上流側のダイクロイックミラー33Aの方へ導かれ、そこで、また分光される。このとき、青色成分の光は、第3の上流側のダイクロイックミラー33Aによって反射して青色液晶パネル37を透過して、相対する第3の下流側のダイクロイックミラー33Bへと導かれる。従って、第3の下流側のダイクロイックミラー33Bからは、赤色成分の光と、青色成分の光が合成されて照射レンズ13の方へと導かれる。
【0119】
このとき、制御装置7は液晶パネル35,37を適宜制御して各色成分の位相ピッチをずらすようにする。このように、赤、青の光成分につき2通りの相対位相関係下において、CCDカメラ4にて撮像された2通りの画像データに基づき、位相シフト法に基づいて(上記各式に基づいて)クリームハンダの高さを演算するようにしてもよい。なお、本実施の形態では、赤、青の光成分パターンを採用することとしたが、赤外線及び緑色、又は赤外線及び青色の光成分パターンであってもよい。また、赤外線及び赤色、赤色及び緑色、緑色及び青色の光成分パターンであってもよい。
【0120】
尚、上述した実施の形態の記載内容に限定されることなく、例えば次のように実施してもよい。
【0121】
(a)上記実施の形態における光成分パターンは、正弦波状の光強度分布を有するものであったが、縞状のものであれば、例えば鋸歯状、或いは、矩形波状の光強度分布を有する光パターンであってもよい。
【0122】
(b)上記実施の形態では特に言及してはいないが、プリント基板Kにクリームハンダを印刷形成する工程と、上記実施の形態における印刷状態検査装置1を用いて良否判定を行う検査工程と、前記検査工程において良品判定されたものについてのみ実装を行うべくリフローを施すリフロー工程とを備えた基板の製造方法に具現化することも可能である。該製造方法によれば、検査に要する時間の短縮を図ることができることから、全体的な製造時間の低減を図ることができ、しかも不良品の発生を抑制することができる。
【0123】
(c)上記各実施の形態では、α=π/2とした場合を中心に説明しているが、これ以外にも、α=(2/3)π、α=(1/3)π、α=(1/4)π、α=(1/8)π、α=(1/16)πとしてもよい。
【0124】
(d)上記実施の形態ではプリント基板Kに印刷形成されたクリームハンダの高さ等を計測する場合に具体化したが、他にもICパッケージ(例えばリード)に印刷形成されたクリームハンダの高さ等を計測する場合にも具体化できる。さらに、他の計測対象物の高さ等を計測する場合に具体化してもよい。他の計測対象物としては、基板上に印刷された印刷物、積層体等が挙げられる。
【0125】
(e)各実施の形態における各光成分パターンは、必ずしも厳密に赤、青、緑、赤外線等に区別する必要はない。要するに、波長域が異なっていればよいという趣旨であって、黄色(RG)、シアン(青緑)色等の中間色を有する光成分パターンであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態における三次元計測装置を具備する印刷状態検査装置を模式的に示す概略斜視図である。
【図2】第1の実施の形態におけるより詳細な三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図3】相対位相関係の異なる赤、緑、青の各フィルタの光強度分布の一例を示すグラフである。
【図4】照明装置からクリームハンダに対し合成照射される光パターンの例を示す図である。
【図5】第1の実施の形態の別の例の三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図6】第2の実施の形態におけるより詳細な三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図7】第2の実施の形態の別の例の三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図8】第3の実施の形態におけるより詳細な三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図9】第3の実施の形態の別の例の三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【符号の説明】
1…三次元計測装置を具備する印刷状態検査装置、2…テーブル、3,30,40,50,60,70…照射手段を構成する照明装置、4…撮像手段としてのCCDカメラ、7…演算手段を構成する制御装置、11…光源、14…赤色フィルタ格子縞板、15…緑色フィルタ格子縞板、16…青色フィルタ格子縞板、手K…プリント基板、C…計測対象物を構成するクリームハンダ。
Claims (18)
- 少なくとも計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも2つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段にて撮像された少なくとも2通りの画像データ、及び、計測対象物の色合い等による反射率の影響を補正するための別途の補正用データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備え、
前記補正用データは、白色全照射された計測対象物からの反射光を撮像した画像データであることを特徴とする三次元計測装置。 - 少なくとも計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも2つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段にて撮像された少なくとも2通りの画像データ、及び、計測対象物の色合い等による反射率の影響を補正するための別途の補正用データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備え、
前記補正用データは、白色全照射された計測対象物からの反射光を、各光成分毎に分離して撮像した画像データであることを特徴とする三次元計測装置。 - 少なくとも計測対象物に対し、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも2つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段にて撮像された少なくとも2通りの画像データ、及び、計測対象物の色合い等による反射率の影響を補正するための別途の補正用データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段とを備え、
前記照射手段は、前記少なくとも2つの光成分パターンの同時照射に際し、光源からの光を、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる各光成分パターンに一旦分離した上で合成して照射可能な液晶プロジェクタ機構を備えていることを特徴とする三次元計測装置。 - 前記補正用データは、白色全照射された計測対象物からの反射光を撮像した画像データであることを特徴とする請求項3に記載の三次元計測装置。
- 前記補正用データは、白色全照射された計測対象物からの反射光を、各光成分毎に分離して撮像した画像データであることを特徴とする請求項3に記載の三次元計測装置。
- 前記補正用データは、計測対象物からの反射光を、光成分毎に分離して撮像した画像データであることを特徴とする請求項1、3又は4に記載の三次元計測装置。
- 少なくとも計測対象物に対し、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる3つの光成分パターンを同時に照射して第1の照射を行うとともに、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射を行うことの可能な照射手段と、
前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第1の撮像を行うとともに、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第2の撮像を行うことの可能な撮像手段と、
前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく3通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段と
を備えたことを特徴とする三次元計測装置。 - 前記互いに異なる波長成分を有する3つの光成分パターンは、それぞれ、赤色、緑色、青色の光成分パターンであることを特徴とする請求項7又は8に記載の三次元計測装置。
- 少なくとも計測対象物に対し、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる4つの光成分パターンを同時に照射して第1の照射を行うとともに、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射を行うことの可能な照射手段と、
前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第1の撮像を行うとともに、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第2の撮像を行うことの可能な撮像手段と、
前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく4通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段と
を備えたことを特徴とする三次元計測装置。 - 前記互いに異なる波長成分を有する4つの光成分パターンは、それぞれ、赤色、緑色、青色及び赤外線の光成分パターンであることを特徴とする請求項10又は11に記載の三次元計測装置。
- 少なくとも計測対象物に対し、同一振幅及び同一オフセット成分の光源からの光に基づき、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる2つの光成分パターンを同時に照射して第1の照射を行うとともに、少なくとも計測対象物に対し、前記光源からの光に基づき白色の全照射たる第2の照射を行うことの可能な照射手段と、
前記第1の照射に基づく光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第1の撮像を行うとともに、前記第2の照射に基づく計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像する第2の撮像を行うことの可能な撮像手段と、
前記異なる相対位相関係下において前記撮像手段による第1の撮像に基づく2通りの画像データ、及び、前記第2の撮像に基づく画像データに基づき、位相シフト法により少なくとも前記計測対象物の所定の高さを演算する演算手段と
を備えたことを特徴とする三次元計測装置。 - 前記互いに異なる相対位相関係をαとしたときの前記第1の撮像に際しての各光成分毎の前記2通りの画像データがそれぞれR0、B0であり、前記第2の撮像に際しての各光成分毎の2通りの画像データがそれぞれR0h、B0hであるとき、前記演算手段は、下記式(4)により位置情報θを求め、該位置情報θに基づき前記所定の高さを演算するものであることを特徴とする請求項13に記載の三次元計測装置。
θ=ARCTAN{K・sinα/(1−K・cosα)}・・・(4)
但し、α≠0,π、 K=(R0/R0h−1)/(B0/B0h−1) - 前記互いに異なる波長成分を有する2つの光成分パターンは、それぞれ、赤色及び青色、赤外線及び緑色、又は赤外線及び青色の光成分パターンであることを特徴とする請求項13又は14に記載の三次元計測装置。
- 前記照射手段は、第1の照射に際し、光源からの光を、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる各光成分パターンに一旦分離した上で合成して照射可能な液晶プロジェクタ機構を備えていることを特徴とする請求項7乃至15のいずれかに記載の三次元計測装置。
- 前記照射手段は、第1の照射に際し、光源からの光を、所定の波長成分について縞状に遮光するとともに残りの波長成分について全面的に透光を許容するフィルタ格子縞板を用いて、互いに相対位相関係の異なる各光成分パターンを同時に照射可能なフィルタ格子縞板機構を備えていることを特徴とする請求項7乃至15のいずれかに記載の三次元計測装置。
- 前記光成分パターンは、略正弦波状の光強度分布を有することを特徴とする請求項1乃至17のいずれかに記載の三次元計測装置。
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