JP2010169433A - 三次元計測装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】位相シフト法を利用した三次元計測を行うにあたり、より高精度な計測をより短時間で実現することのできる三次元計測装置を提供する。
【解決手段】三次元計測装置を有する基板検査装置は、クリームハンダの印刷されてなるプリント基板に対し縞状の光パターンを照射する照射装置と、プリント基板上の照射された部分を撮像するＣＣＤカメラと、これにより撮像された画像データに基づき三次元計測を行う制御装置とを備えている。制御装置は、周期２μｍの第１光パターンを第１位置にて照射して得られた画像データに基づき各画素毎の第１高さデータを算出する。また、半画素ピッチ斜めにずれた第２位置にて、周期４μｍの第２光パターンを照射して得られた画像データに基づき各画素毎の第２高さデータを算出する。そして、第２高さデータを基に、各第１高さデータの縞次数を特定し、当該第１高さデータの値を縞次数を考慮した値に置き換える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、三次元計測装置に関するものである。
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。
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、例えば、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。
当該位相シフト法を利用した三次元計測装置においては、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、正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンを被計測物（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撮像手段を用いて観測する。撮像手段としては、レンズ及び撮像素子等からなるＣＣＤカメラ等が用いられる。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。
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、位相を例えば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、下記式に基づいて変調分αを求める。
α＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝
この変調分αを用いて、クリームハンダ等の計測対象上の点Ｐの３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められ、もって計測対象の三次元形状、特に高さが計測される。
しかしながら、実際の計測対象には、高いものもあれば低いものもある。例えば、クリームハンダに関して言えば、薄膜状のものもあれば、円錐台状をなして突起しているものもある。そして、これら計測対象のうち最大の高さに合わせて、照射する光パターンの縞の間隔を広くすると、分解能が粗くなってしまい、計測精度が悪化してしまうおそれがある。一方で、縞の間隔を狭くすることで、精度の向上を図ることはできるものの、計測可能な高さレンジが足りなくなってしまう（縞次数が別のものとなってしまう）おそれがある。
そこで、例えば１回目の撮像の後、撮像素子と被計測物とを、当該撮像素子の画素ピッチの半ピッチ分ずらして２回目の撮像を行い、より分解能の高い画像データを得る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、計測可能な高さレンジが足りなくなる問題を解決するために、周期（縞ピッチ）の短い光パターンと、周期の長い光パターンとを組み合わせて計測を行う技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平６−６７９４号公報 特開２００５−９８８８４号公報
しかしながら、上記従来技術を組み合わせて、水平分解能を高めるとともに、高さ方向の分解能を落とすことなく、計測可能な高さレンジを広げようとした場合には、例えば周期の短い光パターンによる第１計測と、周期の長い光パターンによる第２計測とをそれぞれ、第１の位置と、当該第１の位置から半画素ピッチ分ずらした第２の位置との両位置において１回ずつ、合計４回の計測を実施しなければならない。
上述したように、位相シフト法を利用した従来の三次元計測では、位相を例えば４段階に変化させる場合、各段階に対応する強度分布をもつ４通りの画像データ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、計測位置１箇所につき４回の撮像を行う必要がある。このため、上記のように２種類の光パターンによる計測を２箇所でそれぞれ行う場合には、撮像回数が合計１６回にもなってしまう。
従って、水平分解能を高めかつ計測可能な高さレンジを広げるために、上記従来技術を単に組み合わせただけでは、撮像回数の増大による総体的な計測時間の増加、ひいては計測効率の低下を招くおそれがある。
なお、上記課題は、必ずしもプリント基板上に印刷されたクリームハンダ等の高さ計測に限らず、他の三次元計測装置の分野においても内在するものである。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相シフト法を利用した三次元計測を行うにあたり、より高精度な計測をより短時間で実現することのできる三次元計測装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。
手段１．少なくとも被計測物に対し、縞状の光強度分布を有しかつ周期の異なる複数の光パターンを切換えて照射可能な照射手段と、
前記光パターンの照射された前記被計測物からの反射光を撮像可能な撮像素子を有する撮像手段と、
前記撮像素子と前記被計測物との位置関係を相対変位させる変位手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段は、
複数通りに位相変化させた第１周期の第１光パターンを第１位置にて照射して得ら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画像データの各画素単位毎の高さデータを第１高さデータとして算出する第１演算手段と、
前記第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて、前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを複数通りに位相変化させて照射して得ら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画像データの各画素単位毎の高さデータを第２高さデータとして算出する第２演算手段と、
前記第２高さデータを基に、前記各第１高さデータの縞次数を特定した上で、当該第１高さデータの値を当該縞次数を考慮した値に置き換えるデータ置換え手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
上記手段１によれば、第１位置にて第１周期の第１光パターンを照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法によって画像データの各画素単位毎の高さデータが第１高さデータとして算出される。また、第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて、第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法によって画像データの各画素単位毎の高さデータが第２高さデータとして算出される。これらのデータを合成することにより、撮像素子の分解能を超える高分解能の画像データ（各座標毎に高さデータが配列された計測データなど画像処理後の画像データを含む）を生成することができ、より精密な三次元計測を行うことができる。
さらに、本手段では、周期の長い第２光パターンによって得られた第２高さデータを基に、各第１高さデータの縞次数（位相シフト法における計測対象部に対応する縞）が特定される。そして、第１高さデータの値が当該縞次数を考慮した適正値に置き換えられる。すなわち、長い周期の第２光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い第１光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、水平分解能を高めるとともに、高さ方向の分解能を落とすことなく、計測可能な高さレンジを広げることができる。
また、かかる場合においても、本手段では、第１又は第２位置において行われる計測が、第１又は第２光パターンのいずれか一方によるもののみである。つまり、２種類の光パターンによる計測を２箇所でそれぞれ行う必要がないため、撮像回数ひいては総体的な計測時間の増加を抑制することができる。結果として、より高精度な計測をより短時間で実現することができる。
また、上記構成は、画像処理といったソフト的な処理により実現できるため、ハード面を変更する必要がなく、製造コストの増加抑制を図ることができる。
手段２．前記第２位置は、前記第１位置から半画素ピッチ斜めにずれた位置であることを特徴とすることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。
上記手段２によれば、第１位置における計測と第２位置における計測の２回の計測で、撮像素子の分解能の４倍の分解能を有する画像データを得ることができる。なお、半画素ピッチ斜めにずれた位置とは、画像データにおいて格子状に配列された矩形状の画素の対角線方向（配列方向に対して斜め方向）に半画素分ずれた位置である。
手段３．データの欠落部分をその周囲における少なくとも前記縞次数を考慮した第１高さデータに基づき補間する補間手段を備えたことを特徴とする手段２に記載の三次元計測装置。
上記手段３の構成を採用した場合、第１高さデータと第２高さデータを合成して高分解能のデータを作成するにあたり、データの欠落部分が生じるが、本手段によれば、このような不具合を防止することができる。
手段４．前記縞次数を考慮した第１高さデータを基に、前記第２高さデータの値を補正する補正手段を備えたことを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
上記４によれば、第２演算手段により得られた第２高さデータ（実測データ）の値を、縞次数を考慮したより精度の高い第１高さデータを基に補正することができ、より真の値に近いものとすることができる。
手段５．前記補正手段は、
前記第２演算手段により算出された所定位置の第２高さデータの値が、当該所定位置の周辺部位における前記縞次数を考慮した第１高さデータの平均値と所定の誤差範囲内にあるか否かを判定し、
所定の誤差範囲内にある場合には、前記縞次数を考慮した第１高さデータの平均値を前記所定位置の第２高さデータの値として採用し、
所定の誤差範囲内にない場合には、前記第２演算手段により算出された第２高さデータの値を前記所定位置の第２高さデータの値として採用することを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。
上記のように所定位置の第２高さデータの値が、当該所定位置の周辺部位における前記縞次数を考慮した第１高さデータの平均値と所定の誤差範囲内にある場合には、前記所定位置及びその近傍の形状が比較的なだらかに連続した形状となっていると推定されるため、縞次数を考慮したより精度の高い第１高さデータの平均値を最適値に採用した方が、より真の値に近い値を得ることができる。
一方、誤差範囲内にない場合には、前記所定位置及びその近傍の形状が比較的起伏の激しい不連続な形状となっていると推定されるため、第２演算手段により算出された実測データである第２高さデータの値をそのまま最適値に採用する方が、より真の値との誤差が小さくなる。
一実施形態における基板検査装置を模式的に示す概略斜視図である。 基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。 各光パターンによる分解能等を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、計測された高さデータのデータ配列を示す模式図である。 合成された第１高さデータ及び第２高さデータのデータ配列を示す模式図である。 データ置換え処理の具体的な事例を示す説明図である。 補正処理の具体的な事例を示す説明図である。 補間処理の具体的な事例を示す説明図である。 真値に対する各種高さデータの精度を示す説明図である。 合成された第１〜第４高さデータのデータ配列を示す模式図である。 データ置換え処理の具体的な事例を示す説明図である。 補正処理の具体的な事例を示す説明図である。 真値に対する各種高さデータの精度を示す説明図である。
〔第１実施形態〕
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態における三次元計測装置を具備する基板検査装置１を模式的に示す概略構成図である。同図に示すように、基板検査装置１は、計測対象たるクリームハンダの印刷されてなる被計測物としてのプリント基板２を載置するための載置台３と、プリント基板２の表面に対し斜め上方から所定の光パターンを照射するための照射手段としての照明装置４と、プリント基板２上の前記照射された部分を撮像するための撮像手段としてのＣＣＤカメラ５と、基板検査装置１内における各種制御や画像処理、演算処理を実施するための制御装置６とを備えている。制御装置６が本実施形態における画像処理手段を構成する。
照明装置４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２に対し、斜め上方から４分の１ピッチづつ位相変化する縞状の光パターンを照射可能となっている。本実施形態では、光パターンが、矩形状のプリント基板２の一対の辺と平行にＸ軸方向に沿って照射されるよう設定されている。つまり、光パターンの縞が、Ｘ軸方向に直交し、かつ、Ｙ軸方向に平行に照射される。
さらに、本実施形態の照明装置４は、縞ピッチ（周期）の異なる２種類の光パターンを切換えて照射可能な構成となっている。より詳しくは、周期が２μｍの第１光パターンと、その２倍の周期の４μｍの第２光パターンとに切換えられる。本実施形態では、２μｍが第１周期に相当し、４μｍが第２周期に相当する。これにより、第１光パターンによっては、図３に示すように、計測対象点を例えば「０±１（μｍ）」、「２±１（μｍ）」、「４±１（μｍ）」、・・・といったように、０μｍ〜１０μｍ（但し、１０μｍは１つ上の縞次数における０μｍに相当する）の範囲内にある高さを、「２（μｍ）」刻みで、誤差範囲±１（μｍ）の精度で計測できる。一方、第２光パターンによっては、計測対象点を例えば「０±２（μｍ）」、「４±２（μｍ）」、「８±２（μｍ）」、・・・といったように、０μｍ〜２０μｍの範囲内にある高さを、「４（μｍ）」刻みで、誤差範囲±２（μｍ）の精度で計測できる。
なお、照明装置４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４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４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、三次元計測の計測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。
載置台３には、変位手段としてのモータ１５，１６が設けられており、該モータ１５，１６が制御装置６により駆動制御されることによって、載置台３上に載置されたプリント基板２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。
ＣＣＤカメラ５は、レンズや撮像素子等からなる。撮像素子としては、ＣＣＤセンサを採用している。本実施形態のＣＣＤカメラ５は、例えばＸ軸方向に５１２画素、Ｙ軸方向に４８０画素の分解能を有する画像を生成する。
次に、制御装置６の電気的構成について説明する。
図２に示すように、制御装置６は、基板検査装置１全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース２１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置２２、ＣＲＴや液晶などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置２３、ＣＣＤカメラ５による撮像に基づく画像データを記憶するための画像データ記憶装置２４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置２５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置２６を備えている。なお、これら各装置２２〜２６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース２１に対し電気的に接続されている。
次に、制御装置６にて実行される三次元計測の処理内容を説明する。
制御装置６は、まずモータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を移動させ、ＣＣＤカメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアの第１位置に合わせる。なお、検査エリアは、ＣＣＤカメラ５の視野の大きさを１単位としてプリント基板２の表面を予め分割しておいた中の１つのエリアである。
次に制御装置６は、照明装置４を駆動制御して第１光パターン（周期２μｍ）の照射を開始させると共に、この第１光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第１光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、ＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分（第１位置）を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、背景技術においても説明した公知の位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、第１高さデータとして記憶する。当該処理が本実施形態における第１演算手段の機能を構成する。
かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を上記第１位置より半画素ピッチ斜めに移動させ、ＣＣＤカメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアの第２位置に合わせる。なお、本実施形態における各画素は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な辺を有する正方形状をなす。つまり、半画素ピッチ斜めに移動させるとは、画素の対角線方向に当該対角線の距離の半分だけ移動させることを意味する。
次に制御装置６は、照明装置４を駆動制御して第１光パターンよりも周期の長い第２光パターン（周期４μｍ）の照射を開始させると共に、この第２光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第２光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、ＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分（第２位置）を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、第２高さデータとして記憶する。当該処理が本実施形態における第２演算手段の機能を構成する。
次に制御装置６は、第１位置での計測結果（第１高さデータ）と、第２位置での計測データ（第２高さデータ）を合成し、当該検査エリアの１つ計測結果としてまとめる画像処理を行う。当該処理によりＣＣＤカメラ５の分解能の４倍の分解能を有する撮像手段により撮像した場合と同等の計測データが得られる。以下に当該画像処理について詳しく説明する。
ここでは、例えばＣＣＤカメラ５の分解能が１撮像視野あたり４×４画素であったとして説明する。この場合、第１位置で得られた計測データは、各座標（画素）毎の第１高さデータＡ1〜Ａ16が図４（ａ）のように記憶される。同様に、第２位置で得られた計測データは、各座標（画素）毎の第２高さデータＢ1〜Ｂ16が図４（ｂ）のように記憶される。図４（ａ），（ｂ）はデータ配列を模式的に表した図である（図５〜図８についても同様）。
かかる場合、合成処理では、まず図５に示すように、８×８マス目上に上記第１高さデータＡ1〜Ａ16及び第２高さデータＢ1〜Ｂ16を市松模様状に配置したデータを作成する。なお、図５中の空欄部分は、当該段階においてはデータの欠落部分となる。また、図５は見やすくするため、便宜上、市松模様状に散点模様を付してある（図６〜図８についても同様）。
続いて、第１高さデータＡ1〜Ａ16に関して、当該第１高さデータＡ1〜Ａ16の値を縞次数を考慮した値に置き換えるデータ置換処理を行う。当該処理が本実施形態におけるデータ置換え手段の機能を構成する。
より詳しくは、図６に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第１高さデータＡ6に注目し、ここには第１位置での計測により得られた「４」の値が記憶されている。また、第１高さデータＡ6に隣接した周囲の４つの第２高さデータＢ6，Ｂ7，Ｂ10，Ｂ11には、それぞれ「１６」，「１２」，「１６」，「１２」が記憶されている。なお、図６において記載されているのは、これらの値だけであるが、実際には、これらと同様に他の位置にも各種高さデータが記憶されている（図７，８に関しても同様）。
図３の表からも明らかなように、第１高さデータとして得られた値が「４（±１）μｍ」の場合、縞次数の違いによってクリームハンダ（計測対象点）の真の高さの候補は、「４（±１）μｍ」若しくは「１４（±１）μｍ」となる。つまり、縞次数が１であれば、実際の高さは「４（±１）μｍ」であるとされ、縞次数が２であれば、実際の高さは「１４（±１）μｍ」であるとされる。尚、本実施形態では、説明の便宜上、クリームハンダ（計測対象点）の高さが２０μｍを超えるケースはないものとして説明することとしている。
そして、これら候補値「４」若しくは「１４」のうち、当該データ置換処理を行う場合には、当該第１高さデータＡ6の周囲の第２高さデータＢ6，Ｂ7，Ｂ10，Ｂ11の平均〔（１６＋１２＋１６＋１２）／４＝１４〕により近い値を最適値として採用する。つまり、位相シフト法の縞次数が特定される。そして、第１高さデータＡ6の値を縞次数を考慮した値「１４」に置き換える。上記処理は各第１高さデータＡ1〜Ａ16に対し同様に行われる。
次に、当該縞次数を考慮した第１高さデータＡ1〜Ａ16を基にして、第２高さデータＢ1〜Ｂ16を補正する補正処理を行う。当該処理が本実施形態における補正手段の機能を構成する。
より詳しくは、図７に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第２高さデータＢ11に注目し、ここには第２位置での計測により得られた「１２」の値が記憶されている。また、第２高さデータＢ11に隣接した周囲の４つの第１高さデータＡ6，Ａ7，Ａ10，Ａ11には、それぞれ上記置換処理後の値「１４」，「１２」，「１４」，「１２」が記憶されている。
まず、これら周囲４つの第１高さデータＡ6，Ａ7，Ａ10，Ａ11の平均値〔（１４＋１２＋１４＋１２）／４＝１３〕を算出する。そして、第２高さデータＢ11の値が当該平均値と「±２」の誤差範囲内にあるか否かを判定する。
ここで、「±２」の誤差範囲内にあると判定された場合には、当該第２高さデータＢ11に対応するクリームハンダ（計測対象点）及びその近傍の形状が比較的なだらかに連続した形状となっていると推定し、当該第１高さデータＡ6，Ａ7，Ａ10，Ａ11の平均値を第２高さデータＢ11の最適値に採用する。
一方、「±２」の誤差範囲内にないと判定された場合には、当該第２高さデータＢ11に対応するクリームハンダ（計測対象点）及びその近傍の形状が比較的起伏の激しい不連続な形状となっていると推定し、実測データである第２高さデータＢ11の値をそのまま最適値に採用する。
次に、データ欠落部分（図５中の空欄部分）のデータを補間するデータ補間処理を行う。当該処理が本実施形態における補間手段の機能を構成する。
データ補間処理では、例えば図８に示すように、所定のデータ欠落部分の周囲に隣接して配される置換処理後の第１高さデータＡ1〜Ａ16や、補正処理後の第２高さデータＢ1〜Ｂ16の各データを基に平均値を算出し、当該データ欠落部分の補間値として採用する。
上記一連の処理が終了すると、撮像視野全体（検査エリア）について８×８画素の撮像画像データから得られる計測データと同等の精度を有する計測データが完成する。
このようにして得られた各検査エリア毎の計測データは、制御装置６の演算結果記憶装置２５に格納される。そして、当該検査エリア毎の計測データに基づいて、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位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設定データ記憶装置２６に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。
かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を次の検査エリアへと移動せしめ、以降、上記一連の処理が、全ての検査エリアで繰り返し行われる。
このように、本実施形態の基板検査装置１においては、制御装置６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２上のクリームハンダの高さ計測を含む三次元計測を行い、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。
以上詳述したように、本実施形態では、第１位置にて周期２μｍの第１光パターンを照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法によって画像データの各画素単位毎の高さデータが第１高さデータＡ1〜Ａ16として算出される。また、第１位置から半画素ピッチ斜めにずれた第２位置にて、周期４μｍの第２光パターンを照射して得られた複数通りの画像データに基づき、位相シフト法によって画像データの各画素単位毎の高さデータが第２高さデータＢ1〜Ｂ16として算出される。これらのデータを合成することにより、ＣＣＤカメラ５の分解能の４倍の分解能を有する画像データ（計測データ）を生成することができ、より精密な三次元計測を行うことができる。
さらに、本実施形態では、周期の長い第２光パターンによって得られた第２高さデータＢ1〜Ｂ16を基に、各第１高さデータＡ1〜Ａ16の縞次数が特定される。そして、第１高さデータＡ1〜Ａ16の値が当該縞次数を考慮した適正値に置き換えられる。すなわち、長い周期の第２光パターンを利用するメリットである計測可能な高さレンジを大きくできること、及び、周期の短い第１光パターンを利用するメリットである分解能の高い高精度な計測を実現できることの双方の効果を得ることができる。結果として、図９に示すように、水平分解能を高めるとともに、高さ方向の分解能を落とすことなく、計測可能な高さレンジを広げることができる。
また、かかる場合においても、本実施形態では、第１又は第２位置において行われる計測が、第１又は第２光パターンのいずれか一方によるもののみである。つまり、２種類の光パターンによる計測を２箇所でそれぞれ行う必要がないため、撮像回数ひいては総体的な計測時間の増加を抑制することができる。結果として、より高精度な計測をより短時間で実現することができる。
また、上記構成は、画像処理といったソフト的な処理により実現できるため、ハード面を変更する必要がなく、製造コストの増加抑制を図ることができる。
加えて、本実施形態では、所定のデータ欠落部分の周囲に隣接して配される置換処理後の第１高さデータＡ1〜Ａ16や、補正処理後の第２高さデータＢ1〜Ｂ16の各データを基に平均値を算出し、当該データ欠落部分の補間値として採用するデータ補間処理を行う構成となっている。このため、第１高さデータＡ1〜Ａ16と第２高さデータＢ1〜Ｂ16を合成して高分解能のデータを作成するにあたり、データの欠落部分が生じるといった不具合の発生を防止することができる。
また、本実施形態では、縞次数を考慮したより精度の高い第１高さデータＡ1〜Ａ16を基にして、第２高さデータＢ1〜Ｂ16を補正する補正処理を行う。これにより、第２高さデータＢ1〜Ｂ16の値を、より真の値に近いものとすることができる。
〔第２実施形態〕
次に第２実施形態について説明する。但し、上述した第１実施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実施形態と相違する部分を中心として説明することとする。
本実施形態における三次元計測では、制御装置６は、まずモータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を移動させ、ＣＣＤカメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアの第１位置に合わせる。
次に制御装置６は、照明装置４を駆動制御して第１光パターン（周期２μｍ）の照射を開始させると共に、この第１光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第１光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、ＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分（第１位置）を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、背景技術においても説明した公知の位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、第１高さデータとして記憶する。
かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を上記第１位置よりＸ軸方向へ半画素ピッチずれた位置に移動させ、ＣＣＤカメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアの第２位置に合わせる。
続いて制御装置６は、照明装置４を駆動制御して第１光パターンよりも周期の長い第２光パターン（周期４μｍ）の照射を開始させると共に、この第２光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第２光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、ＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分（第２位置）を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、第２高さデータとして記憶する。
かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を上記第１位置より半画素ピッチ斜めにずれた位置に移動させ、ＣＣＤカメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアの第３位置に合わせる。
続いて制御装置６は、照明装置４を駆動制御して第１光パターン（周期２μｍ）の照射を開始させると共に、この第１光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第１光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、ＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分（第３位置）を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、第３高さデータとして記憶する。
かかる処理が行われている間に、制御装置６は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板２を上記第１位置よりＹ軸方向へ半画素ピッチずれた位置に移動させ、ＣＣＤカメラ５の視野をプリント基板２上の所定の検査エリアの第４位置に合わせる。
続いて制御装置６は、照明装置４を駆動制御して第２光パターン（周期４μｍ）の照射を開始させると共に、この第２光パターンの位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、制御装置６は、このようにして第２光パターンの位相がシフトする照明が行われている間に、ＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分（第４位置）を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
制御装置６は、取得した４画面分の各画像データに基づいて各種画像処理を行い、位相シフト法に基づき、各座標（画素）毎の高さ計測を行い、第４高さデータとして記憶する。
次に制御装置６は、第１位置での計測結果（第１高さデータ）、第２位置での計測結果（第２高さデータ）、第３位置での計測結果（第３高さデータ）及び第４位置での計測結果（第４高さデータ）を合成し、当該検査エリアの１つ計測結果としてまとめる画像処理を行う。以下に当該画像処理について詳しく説明する。
ここでは、例えばＣＣＤカメラ５の分解能が１撮像視野あたり４×４画素であったとして説明する。
かかる場合、合成処理では、まず図１０に示すように、第１〜第４の各位置で得られた各画素毎の第１高さデータＣ1〜Ｃ16、第２高さデータＤ1〜Ｄ16、第３高さデータＥ1〜Ｅ16、第４高さデータＦ1〜Ｆ16を８×８マス目上に配置したデータを作成する。図１０は見やすくするため、便宜上、市松模様状に散点模様を付してある（図１１，１２についても同様）。
続いて、第１高さデータＣ1〜Ｃ16及び第３高さデータＥ1〜Ｅ16に関して、当該第１高さデータＣ1〜Ｃ16及び第３高さデータＥ1〜Ｅ16の値を、縞次数を考慮した値に置き換えるデータ置換処理を行う。
より詳しくは、図１１に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第１高さデータＣ6に注目し、ここには第１位置での計測により得られた「４」の値が記憶されている。また、第１高さデータＣ6に隣接した周囲の第２高さデータＤ5，Ｄ6及び第４高さデータＦ2，Ｆ6には、それぞれ「１６」，「１２」，「１２」，「１６」が記憶されている。なお、図１１において記載されているのは、これらの値だけであるが、実際には、これらと同様に他の位置にも各種高さデータが記憶されている（図１２に関しても同様）。
上記実施形態と同様、第１高さデータとして得られた値が「４（±１）μｍ」の場合、縞次数の違いによってクリームハンダ（計測対象点）の真の高さの候補は、「４（±１）μｍ」若しくは「１４（±１）μｍ」となる。つまり、縞次数が１であれば、実際の高さは「４（±１）μｍ」であるとされ、縞次数が２であれば、実際の高さは「１４（±１）μｍ」であるとされる。
そして、これら候補値「４」若しくは「１４」のうち、当該データ置換処理を行う場合には、当該第１高さデータＣ6の周囲の第２高さデータＤ5，Ｄ6及び第４高さデータＦ2，Ｆ6の平均〔（１６＋１２＋１２＋１６）／４＝１４〕により近い値を最適値として採用する。つまり、位相シフト法の縞次数が特定される。そして、第１高さデータＣ6の値を縞次数を考慮した値「１４」に置き換える。上記処理は各第１高さデータＣ1〜Ｃ16及び第３高さデータＥ1〜Ｅ16に対し同様に行われる。
次に、当該縞次数を考慮した第１高さデータＣ1〜Ｃ16及び第３高さデータＥ1〜Ｅ16を基にして、第２高さデータＤ1〜Ｄ16及び第４高さデータＦ1〜Ｆ16を補正する補正処理を行う。
より詳しくは、図１２に示すように、例えば図中太枠で囲まれた第２高さデータＤ6に注目し、ここには第２位置での計測により得られた「１２」の値が記憶されている。また、第２高さデータＤ6に隣接した周囲の第１高さデータＣ6，Ｃ7及び第３高さデータＥ2，Ｅ6には、それぞれ上記置換処理後の値「１４」，「１２」，「１２」，「１４」が記憶されている。
まず、これの周囲の４つ第１高さデータＣ6，Ｃ7及び第３高さデータＥ2，Ｅ6の平均値〔（１４＋１２＋１２＋１４）／４＝１３〕を算出する。そして、第２高さデータＤ6の値が当該平均値と「±２」の誤差範囲内にあるか否かを判定する。
ここで、「±２」の誤差範囲内にあると判定された場合には、上記第１実施形態と同様、第１高さデータＣ6，Ｃ7及び第３高さデータＥ2，Ｅ6の平均値を第２高さデータＤ6の最適値に採用する。
一方、「±２」の誤差範囲内にないと判定された場合には、上記第１実施形態と同様、実測データである第２高さデータＤ6の値をそのまま最適値に採用する。
上記一連の処理が終了すると、撮像視野全体（検査エリア）について８×８画素の撮像画像データから得られる計測データと同等の精度を有する計測データが完成する。
以上詳述したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏される。つまり、図１３に示すように、水平分解能を高めるとともに、高さ方向の分解能を落とすことなく、計測可能な高さレンジを広げることができる。本実施形態では、各種高さデータを合成して高分解能のデータを作成するにあたり、データの欠落部分が生じるといった不具合がないため、データを補間するデータ補間処理を行う必要はない。結果として、より真の値に近い計測データを得ることができる。
尚、上述した各実施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。
（ａ）上記各実施形態では、三次元計測装置を、プリント基板２に印刷形成されたクリームハンダの高さを計測する基板検査装置１に具体化したが、これに限らず、例えば基板上に印刷されたハンダバンプや、基板上に実装された電子部品など、他のものの高さを計測する構成に具体化してもよい。
（ｂ）上記各実施形態では、周期２μｍの第１光パターンと、周期４μｍの第２光パターンとを組合わせて、高さが２０μｍまでのクリームハンダ（計測対象部）を計測する場合を例示しているが、勿論、各光パターンの周期や計測範囲はこれに限定されるものではない。例えば、第２光パターンの周期をより長く（例えば６μｍ以上）して、第１光パターンの縞次数が３以上となる構成であってもよい。
（ｃ）上記各実施形態では、載置台３上に載置されたプリント基板２を動かすことにより、ＣＣＤカメラ５（撮像素子）とプリント基板２（被計測物）との位置関係を相対変位させる構成となっているが、これに限らず、ＣＣＤカメラ５を動かし、両者を相対変位させる構成としてもよい。
（ｄ）上記各実施形態では、撮像素子（撮像手段）としてＣＣＤセンサ（ＣＣＤカメラ５）を採用しているが、撮像素子はこれに限定されるものではない。例えば、ＣＭＯＳ等を採用してもよい。
また、上記各実施形態のＣＣＤカメラ５は、Ｘ軸方向に５１２画素、Ｙ軸方向に４８０画素の分解能を有するものであるが、水平分解能はこれに限定されるものではない。本発明は、水平分解能のより低いシステムにおいてより奏功する。
（ｅ）第２高さデータ等の補正処理や、データ欠落部分の補間処理の手順は、上記各実施形態に限らず、他の方法により行う構成としてもよい。
１…基板検査装置、２…プリント基板、４…照明装置、５…ＣＣＤカメラ、６…制御装置、１５，１６…モータ、Ａ1〜Ａ16…第１高さデータ、Ｂ1〜Ｂ16…第２高さデータ。

Claims (5)

  1. 少なくとも被計測物に対し、縞状の光強度分布を有しかつ周期の異なる複数の光パターンを切換えて照射可能な照射手段と、
    前記光パターンの照射された前記被計測物からの反射光を撮像可能な撮像素子を有する撮像手段と、
    前記撮像素子と前記被計測物との位置関係を相対変位させる変位手段と、
    前記撮像手段により撮像された画像データに基づき三次元計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
    前記画像処理手段は、
    複数通りに位相変化させた第１周期の第１光パターンを第１位置にて照射して得ら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画像データの各画素単位毎の高さデータを第１高さデータとして算出する第１演算手段と、
    前記第１位置から所定方向へ半画素ピッチ分ずれた第２位置にて、前記第１周期よりも長い第２周期の第２光パターンを複数通りに位相変化させて照射して得ら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画像データの各画素単位毎の高さデータを第２高さデータとして算出する第２演算手段と、
    前記第２高さデータを基に、前記各第１高さデータの縞次数を特定した上で、当該第１高さデータの値を当該縞次数を考慮した値に置き換えるデータ置換え手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
  2. 前記第２位置は、前記第１位置から半画素ピッチ斜めにずれた位置であることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
  3. データの欠落部分をその周囲における少なくとも前記縞次数を考慮した第１高さデータに基づき補間する補間手段を備え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. 前記縞次数を考慮した第１高さデータを基に、前記第２高さデータの値を補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の三次元計測装置。
  5. 前記補正手段は、
    前記第２演算手段により算出された所定位置の第２高さデータの値が、当該所定位置の周辺部位における前記縞次数を考慮した第１高さデータの平均値と所定の誤差範囲内にあるか否かを判定し、
    所定の誤差範囲内にある場合には、前記縞次数を考慮した第１高さデータの平均値を前記所定位置の第２高さデータの値として採用し、
    所定の誤差範囲内にない場合には、前記第２演算手段により算出された第２高さデータの値を前記所定位置の第２高さデータの値として採用することを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。
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