JP4905013B2 - 外観検査装置、外観検査方法及び高さ測定方法並びに回路基板製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外観検査装置、外観検査方法及び高さ測定方法並びに回路基板製造方法に関するものであり、より詳しくは、位相シフト法を用いて回路基板に挿入される接続端子などの高さを測定する外観検査装置、外観検査方法及び高さ測定方法及びそれらを用いた回路基板製造方法に関する。

従来、電子回路の基板などの製造工程においては、不良品の発生を防ぐために、所定の電子部品やコネクタのピンが正しく実装されているか否かを、回路基板の外観を調べて検査することが行われている。例えば、ケーブルや他の回路基板などとの接続用に設けられた複数のピンを、回路基板上に形成されたホールに挿入し、ホールの周囲に設けられた金属端子部分（ランド）とピンとを半田付けすることによって回路基板間を電気的に接続するコネクタ部では、半田付けが正常に行われるために、各ピンが対応するホールに所定の長さだけ挿入されていることが必要となる。もし、挿入されたピンの長さが短すぎれば、半田不良となって接続不良を生じるおそれがあり、逆に長すぎれば、ピンがランド以外と接触して短絡を生じる可能性があるからである。そこで、検査によって、回路基板に挿入したピンの先端から回路基板までの高さを測定し、その高さが所定の範囲に含まれるか否かを調べる。

そのような検査を行うために、回路基板を撮影した画像を参照パターンと比較したり、回路基板に向けて照射したレーザ光の反射光から各部の高さを求めることによって、その回路基板が良品か否かを自動的に判断する検査方法が用いられている。

例えば、特許文献１に記載された回路基板の外観検査方法では、レーザ光を測定対象点に向けて照射し、その反射光をＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）で受光し、三角測量の原理に基づいてその測定対象点の回路基板からの高さを求めている。
しかし、特許文献１に記載された外観検査方法では、被検査物である回路基板面全体をレーザ光で走査しなければならず、測定時間が非常に長くなってしまうという問題があった。

一方、被検査物の高さを正確且つ高速に求める方法として、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、正弦波状の濃淡パターンを所定の位相差（例えば、π／２）だけずらして被検査物に投影した複数の画像を取得する。すると、各測定点において、明度の絶対値は、反射率などによって異なるものの、画像間での明度差は、濃淡パターンの位相差を反映したものとなる。そのため、各測定点について、画像間の明度差に基づいて、濃淡パターンについての基準となる位相からのずれ量を求めることができる。そして、この位相のずれ量と、基準となる位相に対応する基準面の高さから、三角測量の原理に基づいて各測定点の高さ情報を得ることができる。

図１は、位相シフト法による位相復元の原理を示す図である。図１において、グラフの横軸は任意の測定点(x,y)に対する濃淡パターンの位相を表す。また、グラフの縦軸は明度を表し、a1(x,y)〜a4(x,y)は、正弦波上の濃淡パターンを１／４ピッチ（すなわち、位相差π／２）ずつずらして撮影した各画像から測定される、その測定点(x,y)における明度を表す。この場合、a1(x,y)〜a4(x,y)は、図１に示すように、一つの正弦波関数上の点となるはずであり、基準となる位相からのずれ量δ(x,y)は、以下の式で表される。

しかし、位相シフト法では、いわゆる位相連結問題（あるいは位相接続問題）という欠点が存在する。詳細に説明すると、位相シフト法では式（１）のように逆正接関数を用いて位相を求めるため、基準となる位相からのずれ量を−π〜πの範囲でしか求めることができない。そのため、位相のずれ量が−π未満、あるいはπより大きい場合には、何らかの手段によって、位相のずれ量の本当の大きさを求めることが必要となる。ここで、被検査物の表面形状が滑らかに変化する場合には、位相のずれ量が−πあるいはπとなる度に、位相のずれ量の測定値に２πずつ加えるか差し引くことにより、位相のずれ量の本当の大きさを求めることができる。しかし、被検査物に段差が存在するような場合には、位相を正確に連結することが難しく、被検査物の高さを正確に求めることが困難となる。

図２を用いて、上記のような回路基板のコネクタ部の検査を例としてこの様子を説明する。図２は、回路基板のコネクタ部の概略側面図である。図２に示すように、回路基板６０には、複数のホール６１が形成されている。そして、各ホール６１には、それぞれ１本ずつピン６２が挿入される。そして、ピン６２の先端と根元の部分、ピン６２の先端と回路基板６０の表面との間には段差があり、回路基板６０の表面からの高さは不連続的に変化している。ここで、回路基板６０の上方に基準面を設定すると、位相シフト法によって求められる基準位相からのずれ量が−π〜πの範囲となる領域２０１がその基準面を中心とした所定幅の領域として決定される。そして領域２０１の下方に、位相のずれ量が−３π〜−πの範囲（あるいはπ〜３π）となる領域２０２ができる。ここで、図２に示すように、照明光２１１が、領域２０１に存在し、領域２０１の下側境界からの高さがｈ１であるピン６２の先端７１で反射され、一方、照明光２１２が、領域２０２の下側境界からの高さｈ２のところで、ピン６２の根元７２に当たって反射される場合において、それぞれの反射点７１及び７２の高さを測定することを考える。この場合、上記のように位相連結問題が発生する。すなわち、上記のように、位相のずれ量は−π〜πの範囲で再現されるから、位相連結を行わなければ、ピン６２の先端７１及び根元７２について測定される高さは、それぞれ、高さｈ１、ｈ２に基づいて求められ、領域が異なることは高さの測定結果に反映されない。すなわち、各領域内の高さの差については正確に評価できるが、領域を跨いだ高さの差については、正確に評価することができない。例えば、高さｈ１が、高さｈ２よりも低ければ、ピンの根元７２の方が高いという誤った測定結果となってしまい、ピン６２の先端７１の高さを正確に知ることが困難となる。

このような問題を解決するために、位相復元画像を、位相差が−πから０の範囲と、０からπの範囲と、位相差の不明な、段差等によって生じた影の部分とに分けてラベリングすることにより、１位相分の範囲を同定して、回路基板の凹凸の高さを測定する方法が開発されている（非特許文献１参照）。しかしながら、上記のような、コネクタ部のピンの先端の高さを測定する場合、ピン先端部分は非常に小さい領域であるため、ラベリングによって周囲と連結することができない。そのため、上記のようなコネクタ部の検査には、非特許文献１に記載された測定方法を適用することはできない。また、コネクタ部に限らず、回路素子の端子を回路基板に挿入した状態で、その端子の挿入量を測定する場合についても同様である。

そこで、ピンあるいは端子の先端部のように、周囲と段差のある比較的小さな部材についても、正確且つ高速に高さを測定できる外観検査装置及び外観検査方法の開発が望まれている。

特開２００４−３４０８３２号公報 三高良介、濱田長生、「位相シフト法による高速高精度３次元計測技術」、松下電工技報、２００２年８月、ｐ．１０−１５

上記の問題点に鑑み、本発明は、ピンあるいは端子の先端部のように、周囲と段差のある比較的小さな部材についても、正確且つ高速に高さを測定できる外観検査装置及び外観検査方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の形態によれば、本発明に係る外観検査装置は、位相シフト法の原理に基づいて被検査物の測定部位の高さを測定する。そのために、本発明に係る外観検査装置は、被検査物に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影する光源部（２）と、濃淡パターンを所定の方向に所定量ずつずらして投影された被検査物を撮影した複数の検査画像を取得する撮像部（３）と、その複数の検査画像に基づいて光源部（２）によって投影された濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を形成する位相画像作成手段（５１）と、位相画像又は被検査物を撮影した位置決め画像に基づいて、被検査物の少なくとも一つの測定部位の位置を特定する位置特定手段（５２）と、特定された少なくとも一つの測定部位の位置に対応する位相画像の画素値に基づいて、少なくとも一つの測定部位の高さを測定する高さ測定手段（５３）とを有することを特徴とする。
係る構成により、測定対象とする部位の位置を特定した上で、その部位の高さを測定するので、位相の連結を正確に行えない場合であっても、対象部位の高さを正確に測定することができる。

また請求項２に記載のように、位置特定手段（５２）は、位相画像又は位置決め画像と、少なくとも一つの所定部位のテンプレートとのパターンマッチングによって、最良の一致位置を求め、その最良の一致位置に基づいて少なくとも一つの測定部位の位置を特定することが好ましい。係る構成により、正確に測定部位の位置を特定することができる。

あるいは請求項３に記載のように、位置特定手段（５２）は、少なくとも一つの測定部位と一定の位置関係にある第２の部位の位置を検出し、検出されたその第２の部位の位置に基づいて探索領域を決定し、探索領域内で少なくとも一つの測定部位の位置を特定するが好ましい。係る構成により、画像上で他の領域と識別することが容易な特徴的な部位の位置を検出し、その特徴的な部位の位置を参照して測定部位の位置を特定することができるので、より正確に測定部位の位置を特定することができる。なお、測定部位と第２の部位とが一定の位置関係にあるとは、距離又は方向が一定の関係にあることを示し、例えば、測定部位の周囲を囲むように第２の部位が存在したり、測定部位と第２の部位とが水平あるいは垂直に所定距離だけ離れて存在することを示す。

さらに、請求項４に記載のように、高さ測定手段（５３）は、位相シフト法に基づいて少なくとも一つの測定部位の高さを測定するが好ましい。

さらに、請求項５に記載のように、本発明に係る外観検査装置は、測定部位の全てについて測定された高さが所定の範囲内に含まれる場合に被検査物を良品と判定し、測定部位の何れか一つについて測定された高さがその所定の範囲に含まれない場合に被検査物を不良品と判定する良否判定手段（５４）を有することが好ましい。

さらに、請求項６の記載によれば、被検査物は回路基板であり、被検査物の測定部位は、その回路基板に取り付けられる接続端子であることが好ましい。なお、接続端子には、回路素子の接続端子の他、回路基板を他の回路基板などと接続するためのピンを含む。

また、請求項７に記載の形態によれば、本発明に係る外観検査方法が提供される。その外観検査方法は、被検査物に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影するステップと、濃淡パターンを所定の方向に所定量ずつずらして投影された被検査物を撮影した複数の検査画像を取得するステップと、それら複数の検査画像に基づいて濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を作成するステップと、位相画像又は被検査物を撮影した位置決め画像に基づいて、被検査物の少なくとも一つの測定部位の位置を特定するステップと、特定された少なくとも一つの測定部位の位置に対応する位相画像の画素値に基づいて、少なくとも一つの測定部位の高さを測定するステップとを有することを特徴とする。

さらに、請求項８に記載の形態によれば、回路基板に取り付けられた接続端子の先端からその回路基板の表面までの高さを測定する方法が提供される。その高さ測定方法は、接続端子を回路基板に取り付けた部分を含む領域に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影するステップと、濃淡パターンを所定の方向に所定量ずつずらして投影された領域を撮影した複数の検査画像を取得するステップと、それら複数の検査画像に基づいて濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を作成するステップと、位相画像又は上記の領域を撮影した画像に基づいて、接続端子の先端の位置を特定するステップと、特定された接続端子の先端の位置に対応する位相画像の画素値に基づいて、接続端子の先端からその回路基板の表面までの高さを測定するステップとを有することを特徴とする。

さらに、請求項９に記載の形態によれば、回路基板上に回路パターンを形成するパターン形成ステップと、回路基板に回路素子を実装する素子実装ステップと、回路基板に実装された回路素子の端子について、回路基板の表面からその端子の先端までの高さを測定する高さ測定ステップと、その高さが、所定の許容範囲に含まれる場合、回路素子は正常に実装されていると判定し、その高さが、所定の許容範囲に含まれない場合、回路素子は正常に実装されていないと判定する良否判定ステップと、回路素子は正常に実装されていると判定された場合、回路素子を回路基板に固定する固定ステップとを有する回路基板製造方法が提供される。その外観検査方法の高さ測定ステップは、回路素子の端子を回路基板に取り付けた部分を含む領域に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影するステップと、濃淡パターンを所定の方向に所定量ずつずらして投影された領域を撮影した複数の検査画像を取得するステップと、それら複数の検査画像に基づいて濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を作成するステップと、位相画像又は上記領域を撮影した画像に基づいて、端子の先端の位置を特定するステップと、特定された端子の先端の位置に対応する位相画像の画素値に基づいて、その高さを測定するステップとを有することを特徴とする。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る外観検査装置について詳細に説明する。
本発明の外観検査装置を適用した検査装置は、一例として、図２に示したような回路基板６０のコネクタ部について、各ホール６１にそれぞれ挿入されたピン６２の先端７１から回路基板６０の表面までの高さを測定し、その高さが所定の許容範囲に含まれるか否かを判定することによって良否判定を行うものである。また、検査装置は、ピン先端位置をパターンマッチング処理を用いて特定し、その特定された位置について位相シフト法で高さを測定するため、ピン６２の先端７１の周囲に照明光を反射する部分が存在しても、正確にピン６２の高さを求めることができる。そのため、検査対象物たる回路基板が良品か否かを正確に判定することができるものである。

図３に、本発明の外観検査装置を適用した検査装置１の概略構成図を示す。
本発明の外観検査装置を適用した検査装置１は、光源部２、撮像部３、保持部４及び処理部５を有する。

以下、検査装置１の各部について詳細に説明する。
光源部２は、位相シフト法によって検査対象物である回路基板６０の３次元形状を測定するために、回路基板６０の表面において明度が１次元的且つ一定のピッチで正弦波状に変化するように照明光を照射する。そのために光源部２は、光源２１、スリット２２、移動ステージ２３及び投影光学系２４を有する。

光源２１は、回路基板６０の検査対象領域の全域を一度に照明できるように構成される。そのために、本実施形態では、光源２１としてハロゲンランプを用いた。しかし、光源２１は、ハロゲンランプに限られるものではなく、ＬＥＤなど周知の他の光源で構成してもよい。

スリット２２は、照明光によって照射された回路基板６０の表面の明度が正弦波状に変化するように、所定のピッチで１次元的に透過率が正弦波状に変化するように形成される。また、スリット２２は、光源２１の前面において、透過率が変化する方向に沿って移動可能に配置される。

移動ステージ２３は、スリット２２を保持する保持部材と、ステッピングモータと、ステッピングモータの動力を保持部材に伝達するためのギアなどで構成される。そして、移動ステージ２３は、回路基板６０上において、スリット２２をその透過率が変化する方向に沿って１／４ピッチずつ移動させる。

投影光学系２４は、スリット２２を透過した照明光を回路基板６０上に投影し、スリット２２の像を回路基板６０上に形成させる。そのために、投影光学系２４は、スリット２２と回路基板６０の間に配置される。また、回路基板６０の凹凸などによる投影位置の差異が被写界深度内に収まるように、投影光学系２４のＦナンバーを設定する。
本実施形態では、光源部２を回路基板６０の上方に、回路基板６０の表面に対する法線方向と３０°の角をなすように配置した。なお、スリット２２のピッチ、投影光学系２４の焦点距離及びＦナンバー、光源部２と回路基板６０までの距離などについては、位相シフト法に基づく表面形状計測で通常使用される条件を使用することができる。さらに光源部２は、位相シフト法に基づく表面形状計測装置で用いられる様々な周知の構成とすることもできる。

撮像部３は、光源部２のスリット２２の移動に合わせて、回路基板６０の検査対象領域を撮影する。そして、１回の検査において、スリット２２を１／４ピッチずつずらして（すなわち、スリット２２によって与えられる濃淡パターンの位相差がπ／２となるように）撮影し、合計４枚の検査画像を取得する。そのために、撮像部３は、ＣＣＤ、Ｃ−ＭＯＳセンサなどの光電変換器で構成された２次元検出器と、その２次元検出器上に回路基板６０の検査対象領域の像を結像する結像光学系を有する。本実施形態では、２次元検出器として、６４０×４８０画素のＣＣＤセンサを用いた。そして、撮像部３を、回路基板６０の法線方向に沿って７５ｍｍ離した上方に配置した。また、撮像光学系については、位相シフト法に基づく表面形状計測で通常使用される条件を使用することができる。さらに、撮像部３は、位相シフト法に基づく表面形状計測装置で用いられる様々な周知の構成とすることもできる。

保持部４は、撮像部３による検査画像取得中において、検査対象物である回路基板６０が移動しないように、所定の位置で固定する。なお、保持部４として、周知の様々な構成を用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

処理部５は、撮像部３から取得した各検査画像に基づいて、ピン６２の先端７１から回路基板６０までの高さを測定して、ピン６２が回路基板６０の対応するホール６１に正しく挿入されているかを調べる。そしてその測定結果に基づいて、回路基板６０が良品か否か判定する。

図４に、処理部５の機能ブロック図を示す。処理部５は、位相画像作成手段５１、位置特定手段５２、高さ測定手段５３、良否判定手段５４、記憶手段５５、制御手段５６及び通信手段５７を有し、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）及びその周辺機器で構成される。

位相画像作成手段５１、位置特定手段５２、高さ測定手段５３及び良否判定手段５４は、例えばＣＰＵ上で実行されるプログラムモジュールとして実装される。あるいは、位相画像作成手段５１、位置特定手段５２、高さ測定手段５３及び良否判定手段５４を、ＣＰＵと別個に設けられた画像処理用プロセッサなどを備えた専用処理ボードとして実装してもよい。
以下、処理部５の各部について詳細に説明する。

位相画像作成手段５１は、各検査において取得される１組４枚の検査画像に基づいて、検査領域中の任意の測定点(x,y)における位相のずれ量δ(x,y)を算出する。ここで位相画像作成手段５１は、上記の式（１）にしたがって、各測定点の位相のずれ量δ(x,y)を算出する。位相画像作成手段５１は、検査領域に含まれる各画素について位相のずれ量δ(x,y)を算出すると、ずれ量が等しい点が同じ画素値となるように、位相画像を作成する。ここで、位相画像の画素値p(x,y)は、−π〜π間を２５６等分し、ずれ量が−πのとき０、πのとき２５５となるように規定される。すなわち、位相画像の画素値p(x,y)は、次式で求められる。

なお、上式において、［］はガウス記号である。
位相画像作成手段５１は、上記式（２）に基づいて、位相画像の各画素値を順次算出する。そして、位相画像作成手段５１は、全ての画素について画素値を算出すると、記憶手段５５に位相画像を記憶する。

なお、作成された位相画像では、式（１）から明らかなように、基準となる位相からのずれ量δ(x,y)が−π〜πの範囲でしか再現できないため、そのずれ量δ(x,y)が上記の範囲を外れた場合には、２ｍπ（ただし、ｍは整数）の値を差し引くかあるいは加えて−π〜πの範囲に含まれるようになったときのずれ量と等しい値として表現される。

位置特定手段５２は、位相画像とピンの先端形状に対応するマスクとのパターンマッチング処理を行うことによって、位相画像中のピンの先端位置を特定する。このように、パターンマッチング処理によってピンの先端位置を特定することにより、ピンの先端以外の部分が位相画像上でピンの先端よりも大きな画素値を有する場合でも、正確にピンの先端位置を認識することができる。

図５を用いてこの様子を説明する。図５は、被検査物である回路基板６０のコネクタ部を上方から見た位相画像の概略図である。各ホール６１ａ〜６１ｄの周囲には、リング状のランド６３ａ〜６３ｄが存在する。また、各ホール６１ａ〜６１ｄの中心近傍には、ピン６２の先端７１が存在する。
ここで、ホール６１ａのように、照明光が、ピンの先端でのみ反射して撮像部３に入射する場合、そのホール内には、ピンの先端及びその影の像８１が形成される。そのため、ホール６１ａのように、ホール内にピンの先端の像８１しかない場合には、ホール内で最も高い画素値に基づいて高さを求めれば、正確にピンの高さを測定することができる。
一方、ホール６１ｂのように、照明光が、ピンの根元など、ピンの先端以外のところで反射されて撮像部３に入射すると、そのホール内には、像８１の他に、ピンの先端以外の部分で反射された部分の像８２が形成される。このような場合、像８２の部分に基づいてピンの高さを測定してしまうと、正確にピンの高さを求めることができなくなる。しかし、予め像８１の部分だけを認識し、その部分の画素値に基づいて高さを測定することにより、ピンの先端が基準面からの位相のずれ量が−π〜πの範囲（図２の領域２０１の範囲）に含まれる限り、その高さを正確に測定することが可能となる。

図６は、ピンの先端位置を特定するための手順を示すフローチャートである。まず、位置特定手段５２は、位相画像においてピン６２が挿入されるホール６１の近傍領域を着目領域として設定する（ステップＳ１０１）。ホール６１の位置、大きさ、形状及び数は、回路基板６０の設計仕様から知ることができるため、位相画像上でのホール６１の位置も予想することができる。そこで、位置特定手段５２は、回路基板６０の設計仕様、撮像部３との相対的な位置、撮像部３の結像系の結像倍率及び画素数に基づいて、位相画像上のホール６１の位置を予め決定する。そして、ホール６１一つにつき、一つの着目領域を設定する。再度図５を参照すると、着目領域９１は、保持部４への回路基板６０の取り付け精度を考慮して、ホール６１が着目領域から外れることがないように、位相画像上でのホール６１の大きさよりも若干大きめに設定される。

なお、着目領域は、例えば、位相画像と同サイズの２値画像で表される。すなわち、着目領域に含まれる画素に対しては、２値画像上において同じ位置にある対応画素の値を‘１’とし、着目領域に含まれない画素に対しては、２値画像上において同じ位置にある対応画素の値を‘０’とする。なお、このような２値画像を予め記憶手段５５に記憶しておき、検査時に読み出すようにしてもよい。

次に、位置特定手段５２は、着目領域内でホールの周囲に設けられるランド６３を検出する（ステップＳ１０２）。ランド６３のような特徴的な形状を有する部分を検出してその位置を特定することにより、ホール６１の位置を正確に認識できるため、ホール内に挿入されるピン６２の先端７１の位置も、直接ピンの先端位置を認識するよりも正確に特定することができる。ここで、位置特定手段５２は、位相画像上でのランド６３の概略形状を知ることができるので、パターンマッチング処理を用いてランド６３の検出を行う。

本実施形態では、パターンマッチング処理に使用するテンプレートとして、予め作成された位相画像からランド６３を含む領域を切り出し、ランド６３以外の画素値を０に置き換えたものを使用した。

位置特定手段５２は、パターンマッチングにより、位相画像の各着目領域において、ランド６３のテンプレートの位相画像に対する相対的な位置及び角度を変えつつ相関係数を求め、その相関係数が最大となるときのテンプレートの位置を求める。そして、相関係数が最大となるとき、すなわち、着目領域とテンプレートが最良の一致となるときのテンプレートの位置に基づいて、ランド６３の位置を決定する。なお、相関係数は、公知のように、以下の式に基づいて求めることができる。

ここでｒは相関係数であり、Ｉ、Ｍはそれぞれ位相画像及びテンプレートの画素値を表す。また、Ｎはテンプレートに含まれる画素数を表す。この式において、位相画像とテンプレートが完全に一致する場合、相関係数ｒ＝１となり、位相画像とテンプレートに全く相関が無い場合、相関係数ｒ＝０となる。

ランド６３の位置が特定されると、位置特定手段５２は、ランド６３で囲まれる領域から、ピン６２の先端７１の位置を探索する探索領域を抽出する（ステップＳ１０３）。ランド６３がホール６１の周囲に設けられることから、ランド６３とホール６１の相対的な位置関係は決まっている。そこで、本実施形態では、図５に示すように、位置特定手段５２は、ランド６３に囲まれ、且つランド６３を含まないように、ランド６３の中心点から所定の半径の円形領域を探索領域９２とする。なお、所定の半径は、位相画像上におけるランド６３の大きさに基づいて予め定められる。例えば、ランド６３の内側半径が位相画像上で３０画素の場合、探索領域９２の半径を２６画素と設定することができる。

最後に、位置特定手段５２は、探索領域内でピン６２の先端７１の位置を特定する（ステップＳ１０４）。位置特定手段５２は、ランド６３の検出と同様に、パターンマッチング処理を用いてピン６２の先端７１の位置を特定する。探索領域内に限定してパターンマッチング処理を行うことにより、ランド６３などピン６２以外の構造物をピン６２と誤認識することを防止できる。なお、ピン６２の先端７１の位置の検出に用いるテンプレートは、ランド検出用のテンプレートと同様に、位相画像からピン６２の先端７１の部分に相当する領域を切り出すことによって作成される。
位置特定手段５２は、各ピン６２の先端７１の位置を特定すると、それぞれの座標値を記憶手段５５などに一時的に記憶する。

高さ測定手段５３は、位置特定手段５２で特定されたピン６２の先端７１の位置の座標値をその記憶先から読み出し、その座標値で示された画素の値に基づいて、ピン６２の先端７１の回路基板６０からの高さを算出する。位相画像の画素値から、式（２）に基づいて基準となる位相からのずれ量を求めることができるので、高さ測定手段５３は、位相シフト法の原理に基づいて、基準となる位相に相当する基準面との差でピン６２の先端７１の高さを求めることができる。なお、高さ測定手段５３は、ピン６２の先端７１の位置として示された画素そのものの画素値を用いる代わりに、ピン６２の先端７１の位置に相当する画素及びその周囲の画素（例えば、４近傍画素、８近傍画素など）の平均値あるいは中央値を用いてもよい。このとき、高さ測定手段５３は、図２に示した領域２０１のように、位相のずれ量が−π〜πとなる範囲内にピン先端位置が存在する限り、ピン先端位置の高さを正確に求めることができる。そこで、基準面（位相のずれ量が０となるところ）をピン６２の先端７１の高さの設計値となるように設定する。なお、位相シフト法は周知の技術であるため、高さ算出の詳細な説明は省略する。
高さ測定手段５３は、各ピン６２の先端７１の高さを記憶手段５５などに一時的に記憶する。

良否判定手段５４は、各ピンの先端の回路基板６０からの高さが、設計値及び許容公差によって定められる許容範囲内に含まれるか否かを調べる。そして、全てのピン６２について、その先端７１の高さが許容範囲内に含まれる場合、回路基板６０を良品と判定する。一方、何れかのピン６２について、その先端７１の高さが許容範囲から外れる場合、回路基板６０を不良品と判定する。
判定結果は、制御手段５６に送られ、さらに、通信手段５７を通じて外部の機器などに送られる。

記憶手段５５は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、又は磁気ディスク、光ディスク若しくはフラッシュメモリなどの不揮発性メモリで構成され、撮像部３から受信した検査画像を一時的に記憶する。また、記憶手段５５は、位置特定手段５２でピンの先端部の位置などの決定に使用するテンプレートなどを記憶する。

制御手段５６は、ＰＣの中央演算装置（ＣＰＵ）と、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの半導体メモリなどで構成され、ＣＰＵに読み込まれたプログラムにしたがって動作し、光源部２、撮像部３及び処理部５の各手段を制御する。さらに、通信手段５７は、処理部５と撮像部３との間で制御信号及び画像データを送受信する入出力インタフェースであり、ＵＳＢ、ＳＣＳＩ、ＲＳ２３２Ｃ、イーサネット（登録商標）などの各種のＩ／Ｏポート及びそれらのドライバで構成される。そして、処理部５は、通信手段５７を通じて撮像部３から各検査画像を受信する。一方、制御手段５６で生成された制御信号は、通信手段５７を通じて光源部２及び撮像部３へ送信される。さらに、処理部５は、良否判定手段５４で判定された回路基板６０の良否判定結果を通信手段５７を通じて、検査装置１の設定操作を行ったり、良否判定結果などの表示を行う操作表示部（図示せず）や、外部の機器へ出力する。

図７を参照しつつ、本発明の外観検査装置を適用した検査装置１の動作について説明する。なお、検査装置１の動作は、処理部５の制御手段５６によって制御される。

図７に示すように、検査が開始されると、撮像部３は、光源部２のスリット２２を１／４ピッチずつ移動させて回路基板６０を４回撮影し、４枚の検査画像を取得する（ステップＳ２０１）。そして、各検査画像を処理部５へ送信する。

処理部５は、通信手段５７を通じて各検査画像を受信すると、位相画像作成手段５１において検査対象領域に含まれる各画素について、基準となる位相からのずれ量を求める（ステップＳ２０２）。そして、求めたずれ量に基づいて、位相画像を作成する（ステップＳ２０３）。位相画像が作成されると、処理部５のピン先端の位置特定手段５２は、その位相画像における各ピン６２の先端７１の位置を特定する（ステップＳ２０４）。なお、先端位置を特定する手順については、上述した通りである。

次に、処理部５の高さ測定手段５３は、各ピン６２の先端７１の位置における位相画像の画素値に基づいて、各ピン６２について、回路基板６０からピン６２の先端７１までの高さを算出する（ステップＳ２０５）。

そして、処理部５の良否判定手段５４は、各ピン６２についての先端７１の高さが許容範囲内に含まれるか否かを確認する（ステップＳ２０６）。全てのピン６２について、その先端７１の高さが許容範囲に含まれる場合、良否判定手段５４は、回路基板６０を良品と判定する（ステップＳ２０７）。一方、ステップＳ２０６において、何れか一つのピン６２でも、その先端の高さが許容範囲から外れる場合、良否判定手段５４は、回路基板６０を不良品と判定する（ステップＳ２０８）。

以上説明してきたように、本発明の外観検査装置を適用した検査装置１は、回路基板に形成されたホールに挿入されたピンの先端位置をパターンマッチング処理を用いて特定し、その特定された位置に基づいて位相シフト法で高さを測定するため、ピンが挿入されるホール内で、ピン先端部以外からの反射光がカメラに写る場合でも、正確にピンの高さを求めることができる。そのため、検査対象物たる回路基板が良品か否かを正確に判定することができる。

なお、上述してきた実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態では、位置特定手段５２は位相画像に基づいてピンの先端位置を特定した。しかし、光源２のスリット２２を取り外して回路基板６０を一様に照明した状態で撮影された位置決め用画像を別途取得し、位置特定手段５２は、その位置決め用画像に対して同様の処理を行ってピンの先端位置を特定するようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、ピンの先端位置を特定するためにパターンマッチング処理を利用したが、パターンマッチング処理以外の公知の形状認識技術を用いてもよい。例えば、エッジ抽出などによってピン先端部の輪郭を抽出し、その輪郭の重心位置をピン先端部の位置として認識することもできる。
また、上記の実施形態では、スリット２２をそのピッチの１／４ずつずらして４枚の検査画像を取得し、それら検査画像に基づいて位相画像を形成したが、スリット２２のずらし方を変え、５枚以上の検査画像を取得して、それら５枚以上の検査画像に基づいて位相画像を形成するようにしてもよい。

さらに、本発明を適用した検査装置を、回路基板の製造装置に組み込むこともできる。この場合、回路基板製造装置は、まず、回路の設計データにしたがって、回路基板上に配線パターンをプリントし、各回路素子（回路基板のコネクタ部に挿入されるピンを含む）を実装する。その後、回路素子が正しく実装されているか否かを調べるために、回路基板の表面から回路素子の端子の先端までの高さを上記のように測定し、正常に実装されているか検査する。そして、検査を行った回路素子について、端子の先端の高さが許容範囲に含まれる場合は、正しく回路素子が実装されていると判断し、半田付けなどによって回路素子を固定する。一方、何れかの端子の先端の高さが許容範囲から外れる場合、その回路素子は正しく実装されていないと判断する。そして、必要に応じて回路素子の実装をやり直したり、別の回路素子と交換して再度実装を行い、再び検査を行う。そして再検査で正しく実装されていると判断した場合、その回路素子を固定する。各回路素子について、実装及び検査を行って固定することにより、回路基板が製造される。

また、本発明は、コネクタ部の検査以外にも適用することができる。例えば、ＩＣなどの電気素子を回路基板に取り付ける場合の検査にも適用することができる。この場合、上記の実施形態と同様に、本発明を用いることにより、回路基板に設けられたホールに電気素子の端子を挿入した状態で、回路基板から端子の先端までの高さの測定を行い、その測定結果に基づいて良否判定を行うことができる。さらに本発明は、ピン高さの測定及び測定されたピン高さに基づいて良否判定を行う検査装置以外にも適用することができる。

以上のように、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

位相シフト法による高さ測定の原理を示す図である。 被検査物である回路基板の概略側面図である。 本発明の外観検査装置を適用した検査装置の概略構成図である。 処理部の機能ブロック図である。 回路基板の検査画像から形成された位相画像の概略図である。 位置特定手段によるピン先端位置の検出動作を示すフローチャートである。 本発明の外観検査装置を適用した検査装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 検査装置（外観検査装置）
２ 光源部
２１ 光源
２２ スリット
２３ 移動ステージ
２４ 投影光学系
３ 撮像部
４ 保持部
５ 処理部
５１ 位相画像作成手段
５２ 位置特定手段
５３ 高さ測定手段
５４ 良否判定手段
５５ 記憶手段
５６ 制御手段
５７ 通信手段
６０ 回路基板
６１ ホール
６２ ピン
６３ ランド
７１ ピンの先端部

Claims (9)

1. 被検査物に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影する光源部（２）と、
   前記濃淡パターンを前記所定の方向に所定量ずつずらして投影された被検査物を撮影した複数の検査画像を取得する撮像部（３）と、
   前記複数の検査画像に基づいて、前記濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を形成する位相画像作成手段（５１）と、
   前記位相画像又は前記被検査物を撮影した位置決め画像に基づいて、前記被検査物の少なくとも一つの測定部位の位置を特定する位置特定手段（５２）と、
   特定された前記少なくとも一つの測定部位の位置に対応する前記位相画像の画素値に基づいて、前記少なくとも一つの測定部位の高さを測定する高さ測定手段（５３）と、
   を有することを特徴とする外観検査装置。
2. 前記位置特定手段（５２）は、前記位相画像又は前記位置決め画像と、前記少なくとも一つの所定部位のテンプレートとのパターンマッチングによって、最良の一致位置を求め、該最良の一致位置に基づいて前記少なくとも一つの測定部位の位置を特定する、請求項１に記載の外観検査装置。
3. 前記位置特定手段（５２）は、前記少なくとも一つの測定部位と一定の位置関係にある第２の部位の位置を検出し、検出された該第２の部位の位置に基づいて探索領域を決定し、該探索領域内で前記少なくとも一つの測定部位の位置を特定する、請求項１又は２に記載の外観検査装置。
4. 前記高さ測定手段（５３）は、位相シフト法に基づいて前記少なくとも一つの測定部位の高さを測定する、請求項１〜３の何れか一項に記載の外観検査装置。
5. 前記測定部位の全てについて測定された高さが所定の範囲内に含まれる場合に前記被検査物を良品と判定し、前記測定部位の何れか一つについて測定された高さが該所定の範囲に含まれない場合に前記被検査物を不良品と判定する良否判定手段（５４）をさらに有する、請求項１〜４の何れか一項に記載の外観検査装置。
6. 前記被検査物は回路基板であり、前記測定部位は、該回路基板に取り付けられる接続端子である、請求項１〜５の何れか一項に記載の外観検査装置。
7. 被検査物に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影するステップと、
   前記濃淡パターンを前記所定の方向に所定量ずつずらして投影された被検査物を撮影した複数の検査画像を取得するステップと、
   前記複数の検査画像に基づいて前記濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を作成するステップと、
   前記位相画像又は前記被検査物を撮影した位置決め画像に基づいて、前記被検査物の少なくとも一つの測定部位の位置を特定するステップと、
   特定された前記少なくとも一つの測定部位の位置に対応する前記位相画像の画素値に基づいて、前記少なくとも一つの測定部位の高さを測定するステップと、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
8. 回路基板に取り付けられた接続端子の先端から該回路基板の表面までの高さを測定する方法であって、
   前記接続端子を回路基板に取り付けた部分を含む領域に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影するステップと、
   前記濃淡パターンを前記所定の方向に所定量ずつずらして投影された領域を撮影した複数の検査画像を取得するステップと、
   前記複数の検査画像に基づいて前記濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を作成するステップと、
   前記位相画像又は前記領域を撮影した画像に基づいて、前記接続端子の先端の位置を特定するステップと、
   特定された前記端子の先端の位置に対応する前記位相画像の画素値に基づいて、前記高さを測定するステップと、
   を有することを特徴とする高さ測定方法。
9. 回路基板上に回路パターンを形成するパターン形成ステップと、
   前記回路基板に回路素子を実装する素子実装ステップと、
   前記回路基板に実装された回路素子の端子について、前記回路基板の表面から該端子の先端までの高さを測定する高さ測定ステップと、
   前記高さが、所定の許容範囲に含まれる場合、前記回路素子は正常に実装されていると判定し、前記高さが、所定の許容範囲に含まれない場合、前記回路素子は正常に実装されていないと判定する良否判定ステップと、
   前記回路素子は正常に実装されていると判定された場合、前記回路素子を前記回路基板に固定する固定ステップと、
   を有する回路基板製造方法であって、
   前記高さ測定ステップは、
   前記回路素子の端子を前記回路基板に取り付けた部分を含む領域に対して所定の方向に周期的な濃淡パターンを投影するステップと、
   前記濃淡パターンを前記所定の方向に所定量ずつずらして投影された領域を撮影した複数の検査画像を取得するステップと、
   前記複数の検査画像に基づいて前記濃淡パターンの位相のずれ量を表す位相画像を作成するステップと、
   前記位相画像又は前記領域を撮影した画像に基づいて、前記端子の先端の位置を特定するステップと、
   特定された前記端子の先端の位置に対応する前記位相画像の画素値に基づいて、前記高さを測定するステップと、
   を有することを特徴とする回路基板製造方法。

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