JP2002081924A - 三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】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正弦
波状の複数の位相変化する光パターンを照射するための
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。照明装置３の位相変更手段により変化さ
せられた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
フト法により少なくともクリームハンダの高さが制御装
置７によって演算される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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２７１１０
４２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、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光パターンを照射可能な照射手
段と、前記光パターンの照射された計測対象物を撮像可
能な撮像手段と、前記計測対象物と、前記光パターンと
の相対位相関係を変化させる位相変化手段と、前記位相
変更手段により変化させられた３通りの相対位相関係下
において前記撮像手段にて撮像された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。

【００１１】手段１によれば、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光パターンが照射手段
によって照射される。また、前記光パターンの照射され
た計測対象物が撮像手段によって撮像される。このと
き、計測対象物と、光パターンとの相対位相関係が位相
変化手段によって適宜変化させられる。そして、演算手
段によって、位相変更手段により変化させられた３通り
の相対位相関係下において、撮像手段にて撮像された３
通りの画像データに基づき、位相シフト法により少なく
とも計測対象物の所定の高さが演算される。このよう
に、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
撮像回数が少なくて済み、ひいては撮像時間の短縮を図
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可能となる。

【００１２】手段２．前記位相変化手段により変化させ
られる３通りの相対位相関係をそれぞれ０、α、βとし
たときの前記３通りの画像データがそれぞれV0、V1、V2
であるとき、前記演算手段は、下記式（１）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１に記載の三
次元計測装置。

【００１３】

【数２】 手段２に関し、位相変化手段により変化させられる３通
りの相対位相関係をそれぞれ０、α、βとしたときの前
記３通りの画像データ（光強度）がそれぞれV0、V1、V2
であるとき、一般的には下式（２），（３），（４）が
成立することとなる。

【００１４】 V0＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（２） V1＝Ａsin（θ＋α）＋Ｂ ・・・（３） V2＝Ａsin（θ＋β）＋Ｂ ・・・（４） 但し、α≠０，β≠０，α≠β，Ａ：反射率，Ｂ：オフ
セット成分 これらの式（２）乃至（４）により、下記式（５）が導
出される。

【００１５】

【数３】 そして、かかる式（５）より、上記式（１）が導き出さ
れる。

【００１６】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。

【００１７】手段３．β＝−αとしたことを特徴とする
手段２に記載の三次元計測装置。

【００１８】手段３によれば、β＝−αとすることで、
上記式（１）から下記式（６）が導き出される。

【００１９】 θ＝ARCTAN［[(2V0-V1-V2)sinα]／[(V1-V2)(１-cosα)]］ ・・（６） 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。

【００２０】手段４．α＝π／２としたことを特徴とす
る手段３に記載の三次元計測装置。

【００２１】手段４によれば、α＝π／２とすること
で、上記式（６）から下記式（７）が導き出される。

【００２２】 θ＝ARCTAN[(2V0-V1-V2)／(V1-V2)] ・・（７） このため、上記式（７）の分母たる(V1-V2)及び分子た
る(2V0-V1-V2)のθによる変化が最大（具体的には±
２）となることから、V0、V1、V2それぞれの測定誤差の
影響を比較的小さいものとすることができ、ひいては計
測の精度をより高めることができる。また、演算がさら
に一層容易なものとなる。

【００２３】手段５．前記位相変化手段は、前記照射手
段により前記計測対象物に対し照射される光パターンの
位相を変化させるものであることを特徴とする手段１乃
至４のいずれかに記載の三次元計測装置。

【００２４】手段５によれば、照射手段により前記計測
対象物に対し照射される光パターンの位相が、位相変化
手段によって変化させられる。このため、計測対象物等
を移動させる必要がなく、設置スペースの増大を招くこ
となく比較的簡易な構成でもって計測することができ
る。なお、この場合、位相変化手段は、「液晶素子を実
体格子とする液晶光学シャッタを用いて、所定方向に光
パターンを走査可能な構成」を具備することとしてもよ
い。

【００２５】手段６．前記位相変化手段は、前記計測対
象物、又は、前記照射手段及び撮像手段を、前記照射手
段及び撮像手段、又は、前記計測対象物に対し相対移動
させることにより位相を変化させるものであることを特
徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装
置。

【００２６】手段６によれば、前記計測対象物、又は、
前記照射手段及び撮像手段が、他に対し相対移動させる
ことで位相が変化させられる。このため、機械的な移動
装置を用いれば済むこととなり、構造が複雑なものとな
ってしまうことがない。

【００２７】手段７．前記光パターンは、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６のい
ずれかに記載の三次元計測装置。

【００２８】手段７によれば、光パターンは、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。

【００２９】手段８．手段１乃至７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。

【００３０】手段８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。

【００３１】手段９．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８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。

【００３２】手段９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。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、一実施の形態について、図
面を参照しつつ説明する。

【００３４】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
対し斜め上方から正弦波状の複数の位相変化する光パタ
ーンを照射するための照射手段及び位相変化手段を構成
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。

【００３５】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。

【００３６】照明装置３は、公知の液晶光学シャッター
を備えており、プリント基板Ｋに対し、斜め上方から所
定ピッチずつ位相変化する光パターンを照射するように
なっている。従って、光源からの光は液晶光学シャッタ
ーを介してプリント基板Ｋ上に照射されるようになって
おり、特にプリント基板Ｋに対し、照度が正弦波状に変
化する縞状の光パターン（正弦波パターン）が照射され
るようになっている。

【００３７】なお、照明装置３において、図示しない光
源からの光は光ファイバーにより一対の集光レンズに導
かれ、そこで平行光にされる。その平行光が、液晶素子
を介して恒温制御装置内に配置された投影レンズに導か
れる。そして、投影レンズから３つの位相変化する光パ
ターンが照射される。このように、照明装置３に液晶光
学シャッター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
解能が向上するようになっている。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ができるようになっている。

【００３８】また、図１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を駆動制御して光パターンの照射
を開始させると共に、この光パターンの位相を所定ピッ
チ（本実施の形態では例えばπ／２）ずつシフトさせて
３種類の照射を順次切換制御する。さらに、このように
して光パターンの位相がシフトする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
れら各照射ごとに検査エリア部分を撮像し、それぞれ３
画面分の画像データを得る。

【００３９】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。

【００４０】次に、制御装置７の行う画像処理と比較判
定について説明する。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
ピッチずつシフトした際の検査エリアの画像データ（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）によっ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。

【００４１】すなわち、所定ピッチずつ、例えば０、
α、βといった具合に、位相をシフトした際の画面上の
点Ｐの光の強度V0、V1、V2は下式で与えられる。

【００４２】 V0＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（２） V1＝Ａsin（θ＋α）＋Ｂ ・・・（３） V2＝Ａsin（θ＋β）＋Ｂ ・・・（４） 但し、α≠０，β≠０，α≠β，Ａ：反射率，Ｂ：オフ
セット成分，θ：高さを導出するための位置情報。

【００４３】これらの式（２）乃至（４）により、下記
式（５）が導出される。

【００４４】

【数４】 かかる式（５）より、下記式（１）が導き出される。

【００４５】

【数５】 特に、β＝−αとすることで、上記式（１）から下記式
（６）が導き出される。

【００４６】 θ＝ARCTAN［[(2V0-V1-V2)sinα]／[(V1-V2)(１-cosα)]］ ・・（６） また特に、α＝π／２とすることで、上記式（６）から
下記式（７）が導き出される。

【００４７】 θ＝ARCTAN[(2V0-V1-V2)／(V1-V2)] ・・（７） 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。

【００４８】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（８）により表され
る。

【００４９】 ε＝ｆ（θ＋２ｎπ） ・・（８） そして、高さＺは、下記式（９）に従って導き出され
る。

【００５０】 Ｚ＝Ｌｐ−Ｌｐｃ／tanε＋Ｘｐ／tanε ・・（９） （但し、Ｌｐ：照明装置３の基準面からの高さ、Ｌｐ
ｃ：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。

【００５１】以上詳述したように、本実施の形態によれ
ば、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
ト法により少なくともクリームハンダの高さが演算され
る。このように、３通り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、総合的な撮像回数が少なくて済み、ひいては撮像時
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。

【００５２】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。

【００５３】また、上記式（１）において、β＝−αと
することで、一層演算式の簡素化が図られる［式（６）
参照］ため、より一層高速の処理が可能となる。

【００５４】特に、α＝π／２とすることで、上記式
（７）が導き出される。この場合、上記式（７）の分母
たる(V1-V2)及び分子たる(2V0-V1-V2)のθによる変化が
最大（具体的には±２）となることから、V0、V1、V2そ
れぞれの測定誤差の影響を比較的小さいものとすること
ができ、ひいては計測の精度をより高めることができ
る。また、演算をさらに一層容易なものとすることがで
きる。

【００５５】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。

【００５６】（ａ）上記実施の形態では、照明装置３が
光パターンをシフトさせることができる構成となってい
たが、照明装置３とは別体で位相をシフトさせることが
できる装置を設けることとしてもよい。また、プリント
基板Ｋ（ひいてはクリームハンダ）を照明装置３やＣＣ
Ｄカメラ４に対し相対移動させることにより、位相を変
化させることとしてもよい。逆に、プリント基板Ｋを固
定しておいて、照明装置３及びＣＣＤカメラ４を相対移
動させることとしてもよい。

【００５７】（ｂ）上記実施の形態における光パターン
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、例えば鋸歯状の光強度分布を有する
光パターンであってもよい。

【００５８】（ｃ）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。

【００５９】（ｄ）上記実施の形態では、３通りの相対
位相関係をそれぞれ０、α、βとしたとき、特にβ＝−
αとしたときについて言及した。この場合において、０
＜α＜πであることが望ましく、また、α＝π／２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。特に、α＝（１／４）πとした場合には、上
記式（７）に代えて、下記式（１０）が導き出される。

【００６０】 θ＝ARCTAN〔(2V0-V1-V2)／［(V1-V2)・[（√２）-１]］〕 ・・（１０） （ｅ）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。

【図面の簡単な説明】

【図１】一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。

【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…照明手段及び位相変化手段を構成する照
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、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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも計測対象物に対し、縞状の光
   強度分布を有する光パターンを照射可能な照射手段と、 前記光パターンの照射された計測対象物を撮像可能な撮
   像手段と、 前記計測対象物と、前記光パターンとの相対位相関係を
   変化させる位相変化手段と、 前記位相変更手段により変化させられた３通りの相対位
   相関係下において前記撮像手段にて撮像された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。
2. 【請求項２】 前記位相変化手段により変化させられる
   ３通りの相対位相関係をそれぞれ０、α、βとしたとき
   の前記３通りの画像データがそれぞれV0、V1、V2である
   とき、前記演算手段は、下記式（１）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１に記載の三次元
   計測装置。 【数１】
3. 【請求項３】 β＝−αとしたことを特徴とする請求項
   ２に記載の三次元計測装置。
4. 【請求項４】 α＝π／２としたことを特徴とする請求
   項３に記載の三次元計測装置。
5. 【請求項５】 前記位相変化手段は、前記照射手段によ
   り前記計測対象物に対し照射される光パターンの位相を
   変化させるものであることを特徴とする請求項１乃至４
   のいずれかに記載の三次元計測装置。
6. 【請求項６】 前記位相変化手段は、前記計測対象物、
   又は、前記照射手段及び撮像手段を、前記照射手段及び
   撮像手段、又は、前記計測対象物に対し相対移動させる
   ことにより位相を変化させるものであることを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
7. 【請求項７】 前記光パターンは、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６のいずれ
   かに記載の三次元計測装置。