CN101782525A - 三维测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种三维测量装置，其不采用远心光学系统，谋求测量精度的提高。具有三维测量装置的基板检查设备包括照射装置(4)，其对印刷有焊锡膏的印刷基板的表面，照射条纹状的图案光；对印刷基板上的已照射的部分进行摄像用的CCD照相机(5)；控制装置，其根据通过CCD照相机(5)摄像的图像数据，进行印刷基板上的各坐标位置的高度测量。另外，控制装置根据CCD照相机(5)的高度(Lco)，与对印刷基板照射的图案光的照射角(α)，对会由CCD照相机(5)的透镜(5a)的视场角产生的测量数据的偏差进行补偿。

Description

三维测量装置

技术领域

本发明涉及三维测量装置。

背景技术

一般，在电子部件安装于印刷基板上的场合，首先，在设置于印刷基板上的规定电极图案上印刷焊锡膏。接着，根据该焊锡膏的粘性，将电子部件临时固定于印刷基板上。然后，将上述印刷基板导向回焊炉，通过经过规定的回焊工序，进行焊接。最近，在导向回焊炉的前阶段，必须检查焊锡膏的印刷状态，在进行该检查时，采用三维测量装置。

近年，人们提出有采用光的所谓的非接触式的各种三维测量装置，比如，人们提出有采用相位移法、空间编码法等的三维测量装置的技术。

在上述技术的三维测量装置中，采用CCD照相机等的摄像机构。比如，在采用相位移法的场合，通过由光源和正弦波图案的滤波器的组合形成的照射机构，对被测量物照射具有正弦波状的光强度分布的图案光(在此场合，为印刷基板)。接着，采用设置于正上方的CCD照相机等，对基板上的点进行观察。在此场合，画面上的规定的测量对象点的光的强度I按照下述式给出。

I＝e+f·cosφ

(其中，e表示直流光噪音(偏置成分)，f表示正弦波的对比度(反射率)，φ表示通过物体的凹凸提供的相位)

此时，使图案光移动，按照比如，4个等级(φ+0，φ+π/2，φ+π，φ+3π/2)改变相位，获取具有对应于它们的强度分布I0、I 1、I2、I3的图像，根据下述式，计算调制量α。

α＝arctan{(I3-I1)/(I0-I2)}

采用该调制量α，计算印刷基板(焊锡膏)上的测量对象点的3维坐标(X，Y，Z)，于是，测量焊锡膏的三维形状，特别是高度。

但是，在三维测量装置的领域，由于摄像机构的照相机透镜的视场角，对应于测量对象点的高度，该高度数据、印刷基板上的坐标数据按照与实际不同的方式测量。根据该原理，参照图4而进行说明。

象上述那样，从规定的照射机构发出的图案光H在规定的测量对象点反射，其反射光H’通过照相机70而摄像。根据它，三维测量装置可将比如，位于摄像面(基准面)M上的测量对象点A(X0，Z0)，识别为在与摄像面中心O’离开X0的位置，位于高度Z0(＝0)处的点。

相对该情况，在通过在与摄像面中心O’离开X1的位置，位于与摄像面M离开Z1的高度处的测量对象点B(X1，Z1)反射的反射光H’射入照相机70的场合，三维测量装置将该反射光H’误认为在与摄像面中心O’离开X0的位置，位于高度Z2处的测量对象点C(X0，Z2)反射的光。其形成测量误差，具有导致测量精度的降低的危险。

为了消除这样的不利情况，在三维测量装置的领域，采用因测量对象点的高度，所测量的高度数据、摄像面上的坐标数据不产生偏差的远心光学系统(比如，专利文献1)。

已有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2003-527582号文献

发明内容

但是，上述远心光学系统具有尺寸非常大、价格高，并且摄像视野狭窄等的问题。

另外，上述课题不必限于印刷于印刷基板上的焊锡膏等的高度测量，该课题也存在于其它的三维测量装置的领域。

本发明是针对上述情况而提出的，本发明的目的在于提供一种三维测量装置，其不采用远心光学系统，可谋取测量精度的提高。

下面对适合于解决上述课题的各技术方案，分项地进行说明。另外，根据需要，在对应的技术方案的后面，附加有特有的作用效果。

技术方案1涉及一种三维测量装置，其包括：

照射机构，该照射机构可至少对被测量物，照射具有条纹状的光强度分布的图案光；

摄像机构，该摄像机构可对来自照射了上述图案光的被测量物的反射光进行摄像；

图像处理机构，该图像处理机构至少根据通过上述摄像机构摄制的图像数据，进行上述被测量物上的各坐标位置的高度测量，

其特征在于三维测量装置包括补偿运算机构，该补偿运算机构至少根据上述摄像机构的高度信息，与对上述被测量物照射的图案光的照射角信息，对相对通过上述图像处理机构测量的上述被测量物上的测量对象点的坐标数据和高度数据，由上述摄像机构的透镜的视场角产生的偏差进行补偿。

按照上述技术方案1，不采用远心光学系统，通过运算处理，借助软件对通过摄像机构的透镜的视场角产生的测量数据的偏差进行补偿，可谋求测量精度提高。其结果是，可采用一般的微型透镜等，可扩大摄像视野。进而，可抑制装置的尺寸的增加、复杂化，可谋求抑制制造成本的增加。

技术方案2涉及技术方案1所述的三维测量装置，其特征在于：

上述摄像机构设置于上述被测量物的正上方；

上述照射机构设置于上述被测量物的斜上方。

象上述技术方案2那样，在摄像机构设置于被测量物的正上方，照射机构设置于被测量物的斜上方的场合，由于因摄像机构的透镜的视场角产生的测量数据的偏差容易变大，故上述技术方案1的作用效果更加奏效。

技术方案3涉及技术方案2所述的三维测量装置，其特征在于：

上述补偿运算机构：

以上述被测量物的摄像面为基准的上述摄像机构的透镜的主点的高度Lco构成上述摄像机构的高度信息，从上述照射机构照射的图案光的光线和上述摄像面之间的角度α为上述图案光的照射角信息，

通过下述式(a)、(b)，根据上述测量对象点的表观的坐标数据X1和高度数据Z1，计算上述测量对象点的真正的坐标数据X0和高度数据Z0，该式(a)、(b)为：

Z0＝Lco·Z 1/(Lco-X1·tanα)           ……(a)

X0＝{1-Z1/(Lco-X1·tanα)}·X1         ……(b)

附图说明

图1为以示意方式表示一个实施方式的基板检查设备的外观立体图；

图2为表示基板检查设备的电气结构的方框图；

图3为用于说明补偿运算处理的原理用的图；

图4为对照相机透镜的视场角造成的测量数据的偏差的发生原理进行说明用的图。

具体实施方式

下面参照附图，对一个实施方式进行说明。

图1为以示意方式表示具有本实施方式的三维测量装置的基板检查装置1的外观立体图。象该图所示的那样，基板检查装置1包括用于放置印刷有焊锡膏的被测量物的印刷基板2的放置台3；对印刷基板2的表面，从斜上方照射规定的图案光用的照射机构的照明装置4；用于对印刷基板2上的上述已照射的部分进行摄像的摄像机构的CCD照相机5；实施基板检查装置1内的各种控制、图像处理、运算处理用的控制装置6。该控制装置6构成本实施方式的图像处理机构、补偿运算机构。

照明装置4包括公知的液晶光学快门，其对印刷基板2，从斜上方，照射每次按照4分之1的间隔进行相位变化的条纹状的图案光。在本实施方式中，图案光按照与矩形状的印刷基板2的一条边平行的方式沿X轴方向照射的方式设定。即，图案光的条纹与X轴方向相垂直，并且与Y轴方向平行地照射。

另外，在照明装置4中，来自图中未示出的光源的光通过光纤，导向一对聚光透镜，在这里变为平行光。该平行光经由液晶元件，导向设置于恒温控制装置内的投影透镜4a(参照图3)。此外，从投影透镜4a照射4个相位变化的图案光。象这样，照明装置4采用液晶光学快门，由此，在制作条纹状的图案光的场合，获得其照度接近理想的正弦波的光，这样，三维测量的测定分辨率提高。另外，可以电气方式进行图案光的相位移的控制，可谋求控制系统的紧凑化。

在放置台3上，设置电动机15、16，该电动机15、16通过控制装置6进行驱动控制，由此，将放置于放置台3上的印刷基板2沿任意方向(X轴方向和Y轴方向)导向。通过上述方案，可移动CCD照相机5的视野，即，检查视野。

下面对控制装置6的电气结构进行说明。

象图2所示的那样，控制装置6包括用于进行基板检查装置1的整体的控制的CPU和输入输出接口21，由键盘、鼠标或接触板构成的“输入机构”的输入装置22，CRT，液晶等的具有显示画面的“显示机构”的显示装置23，用于存储基于CCD照相机5的摄像的图像数据的图像数据存储装置24，用于存储各种运算结果的运算结果存储装置25，为了进行后述的补偿运算处理等，预先存储各种信息的设定数据存储装置26。另外，各装置22～26与CPU和输入输出接口21电连接。

在上述方案下，控制装置6对照明装置4进行驱动控制，开始图案光的照射，并且使该图案光每次按照4分之1间距而位移，依次切换控制4种照射。另外，象这样，在进行图案光的相位移动的照明的期间，控制装置6驱动控制CCD照相机5，针对每种照射，对检查区域部分进行摄像，分别获得4画面量的图像数据。

此外，控制装置6根据检查区域的图像数据(4画面量的图像数据)，通过相位移法计算检查区域内的各坐标位置(X，Y)的高度数据(Z)。针对每个像素，反复进行上述处理，由此，可获得检查区域整体的高度数据(Z)。

接着，控制装置6对象这样获得的各部位的坐标数据(X，Y)和高度数据(Z)，进行补偿通过CCD照相机5的透镜5a的视场角而获得的偏移的补偿运算处理。

下面参照图3，对其原理进行说明。另外图3所示的各点等如下所述(其中，在这里所示的标号与在(背景技术)和(图4)中所标注的标号没有关系)。

P表示照明装置4的投影透镜4a的主点；

O表示通过照明装置4(主点P)的垂直线和摄像面(基准面)M的交点；

A表示照射通过照明装置4照射的图案光中的，与照射到测量对象点C的光线H相同的光线的摄像面M上的点；

B(X1，Z1)表示表观的测量对象点；

C(X0，Z0)表示真正的测量对象点；

D表示CCD照相机5的透镜5a的主点；

E表示通过表观的测量对象点B的垂直线和摄像面M的交点；

F表示通过真正的测量对象点C的垂直线和摄像面M的交点；

X0表示从摄像面中心O’，到交点F的距离；

X 1表示从摄像面中心O’，到交点E的距离；

Z0表示从摄像面M到真正的测量对象点C的高度；

Z1表示从摄像面M到表观的测量对象点B的高度；

Lpop表示投影透镜4a的主点P距摄像面M的高度；

Lpc表示CCD照相机5的透镜5a的主点D和照明装置4的投影透镜4a的主点P的水平方向的距离；

Lco表示CCD照相机5的透镜5a的主点D距摄像面M的高度(CCD照相机5的高度信息)；

α表示从照明装置4照射的光线H和摄像面M之间的角度(照射角信息)；

下面按照计算补偿运算处理所采用的运算式(a)、(b)的步骤进行说明。

通过OP/OA＝tanα，OP＝Lpop，导出下述式(1)。

OA＝Lpop/tanα              ……(1)

另外，照明装置4和测量对象点C的水平方向的距离OF通过下述式(2)导出。

OF＝Lpc+X0                  ……(2)

此外，通过CF/AF＝tanα，CF＝Z0，则Z0/OA-OF＝tanα成立。于是，Z0＝(OA-OF)·tanα，通过上述式(1)、(2)，导出下述式(3)。

Z0＝(Lpop/tanα-Lpc-X0)·tanα         ……(3)

接着，如果着眼于ΔDO’E，则Lco/X1＝Z0/(X1-X0)成立。于是，通过(X1-X0)·Lco＝Z0·X1，象下述这样，导出下述式(4)。

-X0·Lco＝Z0·X1-X1·Lco

X0＝(Lco-Z0)X1/Lco

X0＝(1-Z0/Lco)·X1        ……(4)

另外，如果将上述式(4)代入式(3)中，

则Z0＝{Lpop/tanα-Lpc-(1-Z0/Lco)·X1}·tanα。

如果针对Z0，对其求解，则

Z0＝Lpop-Lpc·tanα-X1·tanα+(X1·Z0/Lco)tanα

(1-X1·tanα/Lco)·Z0＝Lpop-(Lpc+X1)tanα

由于右边等于Z1，故导出下述式(a)。

Z0＝Lco·Z1/(Lco-X1·tanα)           ……(a)

另外，如果将上述式(a)代入式(4)中，则导出下述式(b)。

X0＝{1-Z1/(Lco-X1·tanα)}·X1        ……(b)

根据上述式(a)、(b)，控制装置6可根据通过图像数据测量的表观的测量对象点B的坐标数据X1和高度数据Z1，计算真正的测量对象点C的坐标数据X0和高度数据Z0。

另外，进行补偿所必需的CCD照相机5的高度信息Lco、照射角α、上述式(a)、(b)等在测量前预先存储于设定数据存储器26中。

象这样获得的各部位的补偿后的测量数据(坐标数据和高度数据)存储于控制装置6的运算结果存储装置25中。另外，根据各部位的测量数据，检测高于基准面的焊锡膏的印刷范围，对该范围内的各部位的高度进行积分，由此，计算已印刷的焊锡膏的量。另外，如果将象这样计算的焊锡膏的位置、面积、高度或量等的数据与预先存储于设定数据存储装置26中的基准数据进行比较判断，则根据其比较结果是否位于允许范围内，判断该检查区域的焊锡膏的印刷状态。

象以上具体描述的那样，在本实施方式中，在不采用远心光学系统的情况下，通过运算处理，借助软件对通过CCD照相机5的透镜5a的视场角产生的测量数据的偏差进行补偿，可谋求测量精度的提高。其结果是，CCD照相机5的透镜5a可采用一般的微型透镜等，可扩大摄像视野。进而，可抑制装置的大型化、复杂化，可谋求制造成本的增加抑制。

此外，并不限于上述实施方式的记载内容，比如，也可象下述这样实施。

(a)在上述实施方式中，三维测量方法采用相位移法，但是也可采用其它的方式，比如，光切断法、空间编码法、对焦法等公知的测量方法中的任意的测量方法。

(b)在上述实施方式中，三维测量装置在测量印刷形成于印刷基板2上的焊锡膏的高度的基板检查装置1中具体实现，但是，并不限于此，也可在测量比如，印刷于基板上的焊锡凸部、安装于基板上的电子部件等，其它的部件的高度的装置中实现。

(c)在上述实施方式中，形成采用运算式(a)、(b)，进行补偿运算处理的方案，但是，补偿运算式并不限于此。

另外，照射角α的值也可通过测定图案光等的方式而直接计算，还可根据三角测量的原理，根据投影透镜4a的主点P的高度(Lpop)等的值计算，间接地求出。在此场合，在运算式(a)、(b)中，也可置换为tanα＝(Lpop-Z1)/(Lpc+X1)。

Claims (3)

1.一种三维测量装置，其包括：

照射机构，该照射机构可至少对被测量物，照射具有条纹状的光强度分布的图案光；

摄像机构，该摄像机构可对来自照射了上述图案光的被测量物的反射光进行摄像；

图像处理机构，该图像处理机构至少根据通过上述摄像机构摄制的图像数据，进行上述被测量物上的各坐标位置的高度测量，

其特征在于三维测量装置包括补偿运算机构，该补偿运算机构至少根据上述摄像机构的高度信息，与对上述被测量物照射的图案光的照射角信息，对相对通过上述图像处理机构测量的上述被测量物上的测量对象点的坐标数据和高度数据，由上述摄像机构的透镜的视场角产生的偏差进行补偿。

2.根据权利要求1所述的三维测量装置，其特征在于：

上述摄像机构设置于上述被测量物的正上方；

上述照射机构设置于上述被测量物的斜上方。

3.根据权利要求2所述的三维测量装置，其特征在于：

上述补偿运算机构：

以上述被测量物的摄像面为基准的上述摄像机构的透镜的主点的高度Lco构成上述摄像机构的高度信息，从上述照射机构照射的图案光的光线和上述摄像面之间的角度α为上述图案光的照射角信息，

通过下述式(a)、(b)，根据上述测量对象点的表观的坐标数据X1和高度数据Z1，计算上述测量对象点的真正的坐标数据X0和高度数据Z0，该式(a)、(b)为：

Z0＝Lco·Z1/(Lco-X1·tanα)      ......(a)

X0＝{1-Z1/(Lco-X1·tanα)}·X1   ......(b)。

Images