CN102252629B - 立体形状测量装置、检查装置及立体形状测量用调整方法 - Google Patents

Abstract

一种采用相移法测量的立体形状测量装置、检查装置以及立体形状测量用调整方法，能够容易地进行光栅条纹的位置调整。利用驱动部将光栅条纹狭缝从原点位置移动相当于平行条纹的配置间隔的距离、以及相当于该配置间隔的距离加上规定值后的距离或者减去规定值后的距离。然后，将在各移动位置拍摄的多张光栅条纹的图像与在原点位置拍摄的光栅条纹的图像相比较，根据该比较结果，判断将光栅条纹狭缝驱动光栅条纹一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量。根据该判断来设定测量被测量物的立体形状所需的驱动信号的驱动量。

Description

立体形状测量装置、检查装置及立体形状测量用调整方法

技术领域

本发明涉及一种适用于进行例如电路基板等检查的适宜地进行立体形状的检查或测量的立体形状测量装置以及采用该立体形状测量装置的检查装置以及适用于立体形状测量装置或检查装置的立体形状测量用调整方法。

背景技术

在现有技术中，作为检查电路基板等被检查物的形状的检查装置，对利用摄像机等拍摄装置拍摄该电路基板所得的静止图像进行图像解析来进行检查的装置一直被广泛应用。

此时，通过取得例如对基板进行平面拍摄的一幅静止图像，进行平面形状即二维(2D)检查。并且，光栅条纹被投射到被检查物上之后，边改变该光栅条纹的投射位置的相位边进行多张的拍摄，通过图像解析该多张静止图像，进行立体形状即三维(3D)检查。该三维形状检查称作相移法。

为了通过该相移法进行三维检查，对光栅条纹投射位置的相位进行准确控制是必要的。即，将相当于光栅条纹的一个配置间隔(1节距)的距离(相位)设为2π且将移动前的状态作为原点时，在将光栅条纹从原点移动相当于(1/2)π、π、(3/2)π的距离的状态以及原点的状态共四个状态下进行静止图像拍摄。

然后，图像解析该光栅条纹的各相位的静止图像，测量被拍摄体(被测量物)的立体形状。在后面叙述的实施方式中对通过相移法进行三维检查的装置结构例进行说明。

这样的三维检查可适用于检查例如在电路基板上涂敷乳状焊料时的涂敷状态是否是正确状态。即，即使观察到的焊料在平面的涂敷状态中，看起来好像在必要区域内被正确涂敷着，但在立体观察的情况下，有焊料涂敷厚度不充分的可能性，通过进行三维形状检查，可准确地进行检查是否正确。

在专利文献1中，对光栅条纹被投射到被检查物上之后改变该光栅条纹投射位置的相位、采用测量立体形状的相移法的测量装置的示例有所记载。

专利文献：日本专利特开2006227652号公报

发明内容

可是，对于采用相移法测量立体形状，需要将被投射到被检查物上的光栅条纹从原点位置准确地移动相当于(1/2)π、π、(3/2)π相位的距离。即，光栅条纹通过预先准备以一定间隔形成光栅条纹的狭缝、用驱动机构驱动该狭缝、将光栅条纹的投射位置移动相当于上述相位量的量而构成。在此，从原点位置准确地将光栅条纹的移动量移动相当于(1/2)π、π、(3/2)π相位的距离，是比较微小的移动量，为了能准确地移动，必须事先对使装置的狭缝滑动的机构进行校准调整。或者，设置用于检测光栅条纹狭缝的位置的高精度的检测机构，需要用该检测机构边高精度地检测边驱动狭缝。就有这样的问题：除了使狭缝本身滑动的机构的精度以外，狭缝上的光栅条纹的精度、光学系统整体的精度也影响该狭缝驱动系统的精度，不能简单地进行调整。

鉴于以上方面，本发明的目的为提高测量或检查立体形状时的精度，以使光栅条纹的位置调整能在采用相移法进行测量的装置中容易地进行。

本发明利用驱动部将光栅条纹狭缝从原点位置移动相当于平行条纹的配置间隔的距离、在相当于该配置间隔的距离上加上规定值后的距离或者减去规定值后的距离。然后，将在各移动位置拍摄的多张光栅条纹图像与在原点位置拍摄的光栅条纹图像进行比较，根据该比较结果，判断将光栅条纹狭缝驱动光栅条纹的一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量。根据该判断来设定测量被测量物的立体形状所需的驱动信号的驱动量。

这样，仅凭拍摄多张光栅条纹的图像，即可判明移动光栅条纹狭缝时的准确驱动量。即，通过以判断的一个配置间隔的驱动量作为基准得到在光栅条纹狭缝的驱动相位必要的驱动量，能够准确地驱动光栅条纹狭缝至各相位位置。因而，可以进行准确的光栅条纹狭缝的位置设定，可以进行准确的立体形状的测量或检查。

根据本发明，通过简单的不需要用于检测或计量光栅条纹狭缝的位置的专用机构的结构，就能够准确地将光栅条纹狭缝驱动所需的相位量，具有以简单结构就可以进行准确的立体形状测量或检查的效果。

附图说明

图1是示出根据本发明一个实施方式的装置整体结构例的原理图。

图2是示出根据本发明一个实施方式的装置结构例的立体图。

图3是示出根据本发明一个实施方式的光栅条纹的相位变化例的说明图。

图4是示出根据本发明一个实施方式的光栅条纹的光强度变化例的特性图。

图5是示出根据本发明一个实施方式的调整处理例的流程图。

图6是示出根据本发明的一个实施方式的调整用拍摄时的驱动例的说明图。

图7是示出根据本发明的一个实施方式的检测状态的示例的特性图。

具体实施方式

按以下顺序说明本发明的一个实施方式的示例。

1.装置结构的说明(图1、图2)

2.光栅条纹的说明(图3、图4)

3.调整处理的说明(图5～图7)

[1.装置结构的说明]

参照图1以及图2，说明本实施方式示例的立体形状测量装置。本实施方式示例的立体形状测量装置构成为检查在电路基板上涂敷焊料后状态的检查装置。

如图1以及图2所示，检查装置包括搁放被检查物的台10，用作为拍摄部的照相机30拍摄搁放在该台10上的被测量物(被检查物)即基板20。配置在台10的正上方的照相机30安装有摄像镜头部31，用于拍摄台10上的基板20。如图2所示，摄像镜头部31的周围配置有上段照明部32和下段照明部33，边给被检查物照明边用照相机30拍摄。下段照明部33包括圆形的开口部33a，使作为被检查物的基板20配置在该开口部33a内。

如图1所示，用照相机30拍摄得到的静止图像数据被存储在图像存储器13中。由控制部11控制读取所存储的静止图像数据，由图像解析部 14测量形状。在该示例中构成为检查装置，由图像解析部14的解析处理进行判断与预先登记的基板20状态是否一致，控制部11输出该判断结果。

在图1中是将由控制部11所得到的判断结果提供给显示部16并显示的结构。并且，也可以是向外部输出判断结果并传送给生产线管理用计算机装置等结构。操作部17连接在控制部11上，通过操作部17的操作，可以进行各种调整等。

使用该装置进行检查时，可以进行检查基板20平面形状的2D检查和检查基板20立体形状的3D检查两种检查。

在进行2D检查的时候，通过使用照相机30拍摄作为被检查物的基板20的检查区域而得到一张静止图像数据来进行检查。

在进行3D检查的时候，使用照相机30拍摄作为被检查物的基板20的检查区域，在利用后面叙述的光栅条纹狭缝46将光栅条纹投影到基板20上的状态下，改变该光栅条纹的相位，得到四幅静止图像数据。在后面叙述改变光栅条纹的相位的处理。然后，图像解析该四幅静止图像数据，判断基板20的检查区域的立体形状。控制部11取得判断结果。

接着，对进行3D检查的时候所需的光栅条纹的投影结构进行说明。

如图2所示，3D用投影部40配置在台10的斜上方，从该3D用投影部40投影光栅条纹。

参照图1来说明将光栅条纹投影的结构，来自投光机41的光经由投影镜头42从倾斜方向照射至作为被检查物的基板20的表面。此时，在投光机41与投影镜头42之间配置着光栅条纹狭缝46。

在光栅条纹狭缝46上以一定间隔(节距)平行地形成有光栅条纹，通过使来自投光机41的光投影，该光栅条纹被投影在作为被检查物的基板20的表面。

光栅条纹狭缝46通过滑动台45可滑动地配置在与来自投光机41的光的光轴正交的方向上。该滑动的方向也是向光栅条纹狭缝46上的光栅条纹平行排列的方向的滑动。

如图1所示，滑动台45的螺钉安装部45a安装在滚珠丝杠44上。滚珠丝杠44构成为通过马达43旋转，通过基于马达43的滚珠丝杠44的旋转，将移动台45构成为平行移动。在本实施方式的情况中，作为马达43使用脉冲马达，通过从驱动脉冲发生部12供给驱动脉冲，将滚珠丝杠44旋转驱动相当于该脉冲数的量。因而，向马达43供给的脉冲数与滑动台45的平行移动量有相关的关系，通过向马达43供给的脉冲数就能够控制移动量。

此外，如图1所示，由投影镜头42与光栅条纹狭缝46形成的角度α以及由投影镜头42与被检查物(基板20)形成的角度β成为利用沙姆定律原理的角度。即，通过形成利用莎姆定律原理的角度，使以倾斜角度投影的光栅条纹在基板20上任何位置都能成为聚焦的状态。

[2.光栅条纹的说明]

接着，参照图3以及图4对形成于光栅条纹狭缝46的光栅条纹的结构及其光栅条纹的使用例进行说明。

图3是将光栅条纹一部分放大示出的图，并列示出了每位移(1/2)π相位的状态。在图3示例中，左右方向上配置有各条纹，上下方向上条纹以一定间隔平行排列。

由于马达43对滑动台45的驱动，光栅条纹的位置在上下方向上位移。

通过形成有这样的光栅条纹，在拍摄投影了该光栅条纹的图像的时候，在光栅条纹排列方向上观察到的光强度的变化为图4所示的状态。即，图4所示的光强度的变化特性L具有在光栅条纹狭缝46的条纹白色部分 为最强强度的位置L1、在光栅条纹狭缝46的条纹黑色部分为最弱强度的位置L2、并以一定周期变化的曲线特性。

在图3中，以图3左端的相位O作为原点时，将从该位置位移条纹的一周期(一间隔)的位置作为位移了2π相位的位置。在进行测量立体形状的3D检查时，得到投影下面四个状态的光栅条纹的状态的静止图像。即，设定相位O原点的状态、位移一周期的1/4即位移了(1/2)π相位的状态、位移一周期的1/2即位移了π相位的状态以及位移一周期的3/4即位移了(3/2)π相位的状态的四个状态。然后，分别拍摄依次位移每1/4相位的各状态的光栅条纹投影了的状态的被检查物。因而，在进行3D检查时，用照相机30拍摄同一检查区域四次。

并且，如后面所叙述的，在进行用于对使光栅条纹位移的量进行调整的校准时，设定图3左端所示的相位0的原点状态以及图3右端所示的位移了2π相位后的状态。其中，位移了2π相位后的状态多次设定在该状态位置附近地进行调整。后面叙述该详细调整处理。

[3.调整处理说明]

接着，参照图5～图7，对用于使光栅条纹狭缝46的位置位移的校准时的处理例进行说明。

该校准处理在实际使用前的阶段例如制造检查装置时或者设置检查装置时等至少进行一次。并且，即使在检查装置开始使用之后，在必要时或用户操作中有指示时，也可以随时进行该校准处理。

图5的流程图是示出校准处理的流程的图，由控制部11的控制来执行。此外，在该校准处理时使用照相机30拍摄时，可以是不搁放被检查物的状态，只要能够明确地区别光栅条纹的白色部分与黑色部分进行拍摄即可。

按照图5进行说明，首先，将光栅条纹狭缝46置于原点位置(相位O)，用照相机30照相，得到一幅静止图像数据，并存储在图像存储器13中(步骤S11)。

然后，为了将光栅条纹狭缝46的光栅条纹位移一周期的量(相位2π)，控制部11向驱动脉冲发生部12发送指示，进行位移该位移量的驱动处理(步骤S12)。在该位移状态也用照相机30拍摄，得到一幅静止图数据，并存储在图像存储器13中(步骤S13)。然后，控制部11进行判断处理，判断在位移了的状态下是否进行了规定张数的拍摄(步骤S14)。这里所谓规定的张数譬如为五张。在该判断中没有进行规定张数拍摄的时候，使马达43产生驱动脉冲，使滑动台45以及光栅条纹狭缝46滑动(步骤S15)，返回至步骤S13的拍摄处理。在该步骤S15中的滑动时，设定从至此为止拍摄时的位置位移若干距离后的位置。

然后，在步骤S14中判断拍摄了规定张数的时候，控制部11将存储在图像存储器13中的原点位置(相位O)的图像与在各位移位置拍摄的五幅图像进行比较(步骤S16)。根据该比较，进行判断处理判断与原点位置图像最接近的图像(步骤S17)。

控制部11判定由该判断所得到的与原点位置的图像最接近的图像为准确位移了相位2π的状态下的图像。判断拍摄该判定的图像时的马达的驱动脉冲数，将该驱动脉冲数作为移动相位2π时的调整脉冲数，将该脉冲数的1/4脉冲数存储在存储器15中(步骤S18)。

然后，为了进行实际的3D检查，在将光栅条纹每位移(1/4)π进行拍摄的时候，将该光栅条纹每位移(1/4)π时供给至脉冲马达43的脉冲数作为存储在存储器15中的脉冲数。

图6示出了多次反复图5的流程图中在步骤S13的拍摄以及在步骤S15的使光栅条纹狭缝46位移的处理时的马达43的驱动例。

在该示例中，例如在初始状态下，向马达43供给脉冲数为2000脉冲时，光栅条纹狭缝46位移光栅条纹一周期的量。此时，设定相对于2000脉冲以50脉冲间隔供给±100脉冲时的位移位置且拍摄。即，设定1900脉冲、1950脉冲、2000脉冲、2050脉冲、2100脉冲的位置。

图6的驱动例的流程是示出了该状态的流程，首先，在原点位置拍摄之后，在供给2000脉冲驱动脉冲后的位移位置拍摄，之后，向反方向供给2000脉冲，返回原点位置。

然后，在供给1950脉冲驱动脉冲后的位移位置拍摄，之后，向反方向供给1950脉冲，返回原点位置。

接着，在供给1900脉冲驱动脉冲的位移位置拍摄，之后向反方向供给1900脉冲，返回原点位置。

然后，在供给2050脉冲驱动脉冲的位移位置拍摄，之后，向反方向供给2050脉冲，返回原点位置。

接着，在供给2100脉冲驱动脉冲的位移位置拍摄，之后，向反方向供给2100脉冲，返回原点位置。

这样，在各个位移位置进行拍摄之后，返回原点位置，再移动至新的位移位置，使驱动时的误差没有蓄积，使能够进行准确的测量。

图7是示出了这样多次拍摄所得到的图像与原点位置的图像进行比较时的一致度的图。图7中，横轴表示向马达43供给的脉冲数，纵轴为误差数，误差数越小，表示与原点位置的图像越一致。

例如，在此例中，脉冲数为1950时，误差数最小，比这个更小脉冲数(1900)的时候的图像或比这个更大的脉冲数(2000、2050、2100)的时候的图像中误差数都增大。

此时，将脉冲数1950确定为将光栅条纹狭缝46位移相位2π时的驱动脉冲数，将该脉冲数1950的1/4的脉冲数(488)设定为位移(1/4)π的脉冲数并存储在存储器15中。

然后，实际上进行3D检查时使光栅条纹狭缝46每位移(1/4)π时，向马达43逐次供给存储的脉冲数，使之位移。

这样通过进行校准处理，仅凭对使用检查装置具有的照相机30拍摄的图像进行处理，就能够准确地进行校准处理。因而，检查装置不需要具有检测光栅条纹狭缝46的位移位置的计测机构，以简单的结构就能够进行准确的光栅条纹狭缝的位移处理，以简单的结构提高3D检查时的测量精度。

此外，在图5的流程图示出的处理中，在位移了大约2π的状态下、相对于设定的驱动脉冲数在增加位移量的状态下两次以及减少位移量的状态下两次合计五次进行拍摄。然后，从该五次拍摄图像中，检测出与原点图像误差量最少的图像作为位移2π后的状态。

对此，例如如图7所示，求出在各位移位置的图像误差数的变化曲线，算出该曲线中误差量最少的位置，也可以算出更准确的脉冲数。

具体地讲，例如图7所示的示例中，比较五幅图像的时候，以脉冲数1950位移的图像的误差数为最小。在此，如图7那样算出连接各图像的误差数的曲线，如果算出脉冲数为1960时误差数最的小，则将脉冲数1960确定为位移量2π的驱动脉冲数。通过进行这样的计算处理，可以得到更准确的驱动脉冲数。

此外，也可以在用这样的计算处理得到被认为是误差数最小的脉冲数的时候，实际地用该脉冲数进行驱动，在确认了是否是接近计算出的误差数的状态之后加以确定。

并且，当采用计算没有找到误差数小的位置，例如判断为脉冲数1950和脉冲数2000时误差数小的时候，采用之间的脉冲数1975进行驱动并测量，也可以实测得到准确的脉冲数。

而且，当认为上述五次等确定次数的位移位置的设定中所得到的误差数不是对应于2π位移量的误差数的时候，也可以将脉冲数再增加或者再减少，再次进行拍摄，寻找误差数减少的位移位置。

并且，上述实施方式中，作为驱动光栅条纹狭缝的驱动部，采用包括脉冲马达的驱动部，也可以采用其他的驱动部。例如，也可以使用通过施加一定电压信号驱动旋转的马达。此时，就成了不是调整脉冲数，而是调整施加驱动用的电压信号的时间。

而且，作为使光栅条纹狭缝移动的驱动部，也可以使用因施加电压而弯曲的压电元件(Piezoelectric element等)，以同样的处理进行施加于该压电元件的电压值的调整。即，电压值与取决于压电元件弯曲的移动位置成线性比例的时候，判断相当于光栅条纹的一间隔的电压值，可以使用该一间隔电压值的1/4电压值、1/2电压值、3/4电压值作为3D用的各相位的电压值。电压值与移动位置的关系非直线的时候，可以使用校正表等进行校正。

并且，上述的实施方式中，虽适用于检查电路基板的检查装置，但是只要是根据使用光栅条纹的相移法测量立体形状的立体形状测量装置，也可以适用于其他用途的装置。

而且，图1或图2所示的装置形状是一个适宜的示例，只要是采用同样原理进行测量或检查的装置，也可以是其他的形状。

符号说明

10台        11控制部

12驱动脉冲发生部    13图像存储器

14图像解析部        15存储器

16显示部            17操作部

20基板(被检查物)    30照相机

31摄像镜头部        32上段照明部

33下段照明部        33a开口部

403D用投影部        41投光机

41a投影光输出部     42投影镜头

43马达              44滚珠丝杠

45滑动台            45a螺丝安装部

46光栅条纹狭缝 

Claims (6)

1.一种立体形状测量装置，包括：

光栅条纹狭缝，配置在用于将来自光源的光投射到被测量物上的光路上，且以规定间隔具有平行条纹；

驱动部，用于在所述平行条纹所配置的方向上移动所述光栅条纹狭缝；

拍摄部，用于拍摄被投射有通过所述光栅条纹狭缝的来自所述光源的光的所述被测量物；以及

控制部，利用所述驱动部将所述光栅条纹狭缝从原点位置移动相当于平行条纹的配置间隔的距离、以及在相当于所述配置间隔的距离上加上或减去规定值后的距离，并将在各移动位置所述拍摄部拍摄的多张光栅条纹的图像与在所述原点位置所述拍摄部拍摄的光栅条纹的图像相比较，根据比较结果，判断所述光栅条纹狭缝被所述驱动部驱动光栅条纹的一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量，并根据所述判断，判定测量所述被测量物的立体形状所需的驱动信号的驱动量。

2.根据权利要求1所述的立体形状测量装置，其中，将在各移动位置所述拍摄部所拍摄的多张光栅条纹的图像与在所述原点位置所述拍摄部所拍摄的光栅条纹的图像相比较的处理是选出图像一致度最高的图像，并将拍摄所选出的图像时所述光栅条纹狭缝的驱动量作为所述光栅条纹狭缝被所述驱动部驱动光栅条纹的一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量。

3.根据权利要求2所述的立体形状测量装置，其中，

当所述光栅条纹狭缝以2π为光栅条纹的一个配置间隔时，测量所述被测量物的立体形状所需的驱动信号的驱动量为使所述光栅条纹狭缝移动(1/2)π的驱动量、使所述光栅条纹狭缝移动π的驱动量以及使所述光栅条纹狭缝移动(3/2)π的驱动量，

各驱动量根据判断的被所述驱动部驱动一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量得出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的立体形状测量装置，其中，

所述驱动部是通过脉冲信号的供给而被驱动的脉冲马达，

所述控制部判断驱动所需的脉冲数作为所述光栅条纹狭缝被所述驱动部驱动光栅条纹的一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量。

5.一种适用了权利要求1所述的立体形状测量装置的检查装置。

6.一种立体形状测量用调整方法，所述立体形状测量用调整方法进行：

驱动处理，将以规定间隔具有平行条纹的光栅条纹狭缝配置在用于将来自光源的光投射到被测量物上的光路上之后，在所述平行条纹所配置的方向上移动所述光栅条纹狭缝；

拍摄处理，拍摄被投射有通过所述光栅条纹狭缝的来自所述光源的光的所述被测量物；

判断处理，通过所述驱动处理将所述光栅条纹狭缝从原点位置移动相当于平行条纹的配置间隔的距离、以及在相当于所述配置间隔的距离上加上或者减去规定值后的距离，并将在各移动位置利用所述拍摄处理拍摄的多张光栅条纹的图像与在所述原点位置利用所述拍摄处理拍摄的光栅条纹的图像相比较，根据比较结果，判断所述光栅条纹狭缝被所述驱动处理驱动光栅条纹的一个配置间隔的量所需的驱动信号的驱动量；以及

设定处理，根据所述判断，对测量所述被测量物的立体形状所需的驱动信号的驱动量进行设定。