JP2017003513A - 三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相シフト法を利用して高さ計測を行うにあたり、周期の異なる複数の光を利用して計測レンジの拡大を図ると共に、計測時間の短縮化を図る三次元計測装置を提供する。【解決手段】基板検査装置１は、プリント基板２に対し斜め上方から２種類の光パターンを照射可能な照明装置４と、プリント基板２上の光パターンの照射された部分を撮像するカメラ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制御装置６とを備えている。制御装置６は、第１周期の第１光パターンを照射して得られた画像データを基に第１高さ計測値を取得し、該画像データからゲイン及びオフセットの値を取得する。続いて、第２周期の第２光パターンを照射して得られた画像データを基に、前記ゲインやオフセットの値を利用して第２高さ計測値を取得する。そして、第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、真の高さデータとして取得する。【選択図】 図１

Description

本発明は、位相シフト法を利用して高さ計測を行う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半田が印刷される。次に、該クリーム半田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半田付けが行われる。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半田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、所定の光を発する光源と、当該光源からの光を正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンに変換する格子との組み合わせからなる照射手段により、光パターンを被計測物（この場合、プリント基板に印刷されたクリーム半田）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。

上記構成の下、撮像手段により撮像された画像データ上の各座標（画素）の光の強度（輝度）Ｉは下式（Ｒ１）で与えられる。

Ｉ＝ｆ・sinφ＋ｅ ・・（Ｒ１）
但し、ｆ：ゲイン、ｅ：オフセット、φ：光パターンの位相。

ここで、上記格子を切替制御することにより、光パターンの位相を例えば４段階（φ＋０、φ＋９０°、φ＋１８０°、φ＋２７０°）に変化させ、これらに対応する強度分布Ｉ₀、Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃をもつ画像データを取り込み、下記式（Ｒ２）に基づいてｆ（ゲイン）とｅ（オフセット）をキャンセルし、位相φを求める。

φ＝tan^-1[(Ｉ₁−Ｉ₃)／(Ｉ₂−Ｉ₀)] ・・（Ｒ２）
そして、この位相φを用いて、三角測量の原理に基づき、クリーム半田等の被計測物上の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が求められる。

しかしながら、実際の被計測物には、高いものもあれば低いものもある。例えばクリーム半田に関して言えば、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、これら被計測物のうち最大の高さに合わせて、照射する光パターンの周期（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、光パターンの周期を狭くすることで、精度の向上を図ることはできるものの、高さ計測可能な計測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。

これに鑑み、近年では、レンジ不足を解消するため、周期が異なる２種類の光パターンを利用して計測を行う三次元計測装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１６７４６４号公報

しかしながら、上記のとおり、位相シフト法を利用した三次元計測においては、照射する光パターンの位相を４段階（又は３段階）に変化させ、４通り（又は３通り）の画像を撮像する必要がある。

従って、周期が異なる２種類の光パターンを用いる場合には、まず第１周期の第１光パターンを照射し、その位相を４段階（又は３段階）に変化させ、これらの下で４通り（又は３通り）の画像を撮像した後、第２周期の第２光パターンを照射し、その位相を４段階（又は３段階）に変化させ、これらの下で４通り（又は３通り）の画像を撮像するといったように、各光パターンにつき４回（又は３回）ずつ、計８回（又は６回）の撮像が必要となり、撮像時間が大幅に増大するおそれがあった。

また、一枚のプリント基板上に計測対象範囲が多数設定されているような場合には、当該一枚のプリント基板の計測に要する時間はさらにその数倍となる。そのため、計測時間のさらなる短縮化が求められる。

尚、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半田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て高さ計測を行うにあたり、周期の異なる複数の光を利用して計測レンジの拡大を図ると共に、計測時間の短縮化を図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．少なくとも縞状の光強度分布を有しかつ周期（縞ピッチ）の異なる複数の光パターンを被計測物に対し照射可能な照射手段と、
前記照射手段から照射する前記光パターンの位相を複数通りに変化可能な位相制御手段と、
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手段と、
前記撮像手段により撮像された画像データを基に位相シフト法により前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備え、
前記画像処理手段は、
第１周期の第１光パターンを第１所定数通り（例えば３通り又は４通り）の位相で照射し撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、該画像データ上の被計測座標（画素）に係る計測を行い、該計測値（高さ計測値又は位相計測値）を前記被計測座標に係る第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
前記第１光パターンの下で撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、前記被計測座標に係るゲイン及び／又はオフセットの値を取得するゲインオフセット取得手段と、
前記第１周期とは異なる第２周期の第２光パターンを前記第１所定数通りよりも少ない第２所定数通り（例えば１通り又は２通り）の位相で照射し撮像された前記第２所定数通りの画像データを基に、前記ゲインオフセット取得手段により取得されたゲイン及び／又はオフセットの値を利用して、前記被計測座標に係る計測を行い、該計測値（高さ計測値又は位相計測値）を前記被計測座標に係る第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、前記被計測座標に係る高さデータとして取得可能な高さデータ取得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周期の第１光パターンを被計測物に照射して得られた画像データを基に三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得すると共に、第２周期の第２光パターンを被計測物に照射して得られた画像データ等を基に三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する。そして、第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、被計測座標に係る真の高さデータとして取得する。これにより、周期の長い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、広い計測レンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

さらに、本手段では、第１光パターンによる計測時に撮像された画像データから得られる各座標のゲインやオフセットの値を利用することにより、第２光パターンによる計測を行う際には、第２光パターンの下で撮像すべき画像数（撮像回数）が、第１光パターンの下で撮像すべき画像数より少なくて済む。

例えば第１光パターンを４通りの位相で照射し、その下で４通りの画像を撮像した後、第２光パターンを１通りの位相で照射し、その下で１通りの画像を撮像する場合には、撮像回数が計５回となり、撮像時間が大幅に減少する。

従って、単に周期が異なる２種類の光パターンを用いるだけの従来技術に比べ、総合的な撮像回数が少なくて済み、撮像時間を短縮することができる。結果として、計測時間を飛躍的に短縮することができる。

手段２．前記第２所定数が１の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｓ１）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出することを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｓ１）
但し、Ｖ₀：被計測座標の輝度値、Ａ：被計測座標のゲイン、Ｂ：被計測座標のオフセット。

上記手段２によれば、第２光パターンの下での撮像回数が１回で済むため、上記手段１の作用効果がより奏効することとなる。

上記式（Ｓ１）を「sinθ」について整理すると、下記式（Ｓ２）のようになる。

sinθ＝（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ ・・・（Ｓ２）
ここで、上記式（Ｓ２）を位相θについて解くと、下記式（Ｓ３）を導き出すことができる。

θ＝sin^-1｛（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ｝ ・・・（Ｓ３）
このように、位相θは、第２光パターンにより取得した既知の輝度値Ｖ₀，並びに、第１光パターンにより取得した既知のゲインＡ及びオフセットＢにより特定することができる。

手段３．前記第２所定数が２の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｔ１），（Ｔ２）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出することを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｔ１）
Ｖ₁＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ ・・・（Ｔ２）
但し、Ｖ₀，Ｖ₁：２通りの画像データの被計測座標の輝度値、Ａ：被計測座標のゲイン、Ｂ：被計測座標のオフセット。

上記手段３によれば、位相が９０°異なる２通りの第２光パターンの下で撮像を２回行うだけでよいため、上記手段１の作用効果がより奏効することとなる。

上記式（Ｔ２）から下記式（Ｔ３）が導き出される。

Ｖ₁＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ
＝Ａcosθ＋Ｂ ・・・（Ｔ３）
上記式（Ｔ３）を「cosθ」について整理すると、下記式（Ｔ４）のようになる。

cosθ＝（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ ・・・（Ｔ４）
また、上記式（Ｔ１）を「sinθ」について整理すると、下記式（Ｔ５）のようになる。

sinθ＝（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ ・・・（Ｔ５）
次に上記式（Ｔ４）、（Ｔ５）を下記式（Ｔ６）に代入すると下記式（Ｔ７）が導き出される。

tanθ＝sinθ／cosθ ・・・（Ｔ６）
＝｛（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ｝／｛（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ｝
＝（Ｖ₀−Ｂ）／（Ｖ₁−Ｂ） ・・・（Ｔ７）
ここで、上記式（Ｔ７）を位相θについて解くと、下記式（Ｔ８）を導き出すことができる。

θ＝tan^-1｛（Ｖ₀−Ｂ）／（Ｖ₁−Ｂ）｝ ・・・（Ｔ８）
このように、位相θは、第２光パターンにより取得した既知の輝度値Ｖ₀，Ｖ₁、並びに、第１光パターンにより取得した既知のオフセットＢにより特定することができる。

また、上記手段３によれば、「tan^-1」を用いた演算式に基づいて位相θを求めることができるため、−１８０°〜１８０°の３６０°の範囲で高さ計測可能となり、計測レンジをより大きくすることができる。

手段４．前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプである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。

上記手段４によれば、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプの高さ計測等を行うことができる。ひいては、クリーム半田又は半田バンプの検査において、その計測値に基づいてクリーム半田又は半田バンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、半田印刷検査装置又は半田バンプ検査装置における検査精度の向上を図ることができる。

基板検査装置を模式的に示す概略構成図である。 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。

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、被計測物としてのクリーム半田が印刷されてなるプリント基板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照射手段としての照明装置４と、プリント基板２上の光パターンの照射された部分を撮像するための撮像手段としてのカメラ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。

載置台３には、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（モータ制御手段２３）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。

照明装置４は、所定の光を発する光源４ａと、当該光源４ａからの光を正弦波状（縞状）の光強度分布を有する光パターンに変換する液晶格子４ｂとを備えており、プリント基板２に対し、斜め上方から複数通りに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。

より詳しくは、光源４ａから発せられた光は、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、液晶格子４ｂを介して投影レンズに導かれる。そして、投影レンズからプリント基板２に対し縞状の光パターンが照射される。

液晶格子４ｂは、一対の透明基板間に液晶層が形成されると共に、一方の透明基板上に配置された共通電極と、これと対向するように他方の透明基板上に複数並設された帯状電極とを備え、駆動回路により、各帯状電極にそれぞれ接続されたスイッチング素子（薄膜トランジスタ等）をオンオフ制御し、各帯状電極に印加される電圧を制御することにより、各帯状電極に対応する各格子ラインの光透過率が切替えられ、光透過率の高い「明部」と、光透過率の低い「暗部」とからなる縞状の格子パターンを形成する。そして、液晶格子４ｂを介してプリント基板２上に照射される光は、回折作用に起因したボケ等により、正弦波状の光強度分布を有する光パターンとなる。

また、照明装置４は、周期（縞ピッチ）の異なる複数種類の光パターンを切換えて照射可能に構成されている。本実施形態では、周期が６００μｍの第１光パターンと、周期が８００μｍの第２光パターンとの２種類の光パターンを切換えて照射可能に構成されている。ここで、「６００μｍ」が「第１周期」に相当し、「８００μｍ」が「第２周期」に相当する。

より詳しくは、液晶格子４ｂを制御し、例えば格子ライン６本分の幅（格子ライン３本分の「明部」と、格子ライン３本分の「暗部」）を一周期とした正弦波状の光パターンを生成することにより、周期６００μｍの第１光パターンを照射可能となる。

一方、格子ライン８本分の幅（格子ライン４本分の「明部」と、格子ライン４本分の「暗部」）を一周期とした正弦波状の光パターンを生成することにより、周期８００μｍの第２光パターンを照射可能となる。

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、ＣＭＯＳセンサを採用している。勿論、撮像素子はこれに限定されるものではなく、例えばＣＣＤセンサ等を採用してもよい。カメラ５によって撮像された画像データは、当該カメラ５内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置６（画像データ記憶手段２４）に入力される。そして、制御装置６は、当該画像データを基に、後述するような画像処理や検査処理等を実施する。かかる意味で、制御装置６は画像処理手段を構成する。

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、カメラ５の撮像タイミングを制御するカメラ制御手段２１と、照明装置４を制御する照明制御手段２２と、モータ１５，１６を制御するモータ制御手段２３と、カメラ５により撮像された画像データ（輝度データ）を記憶する画像データ記憶手段２４と、前記画像データを基に算出される後述するゲインＡ及びオフセットＢの値を記憶するゲイン・オフセット記憶手段２５と、少なくとも前記画像データを基に三次元計測を行う三次元計測手段２６と、該三次元計測手段２６の計測結果を記憶する計測値記憶手段２７と、該計測値記憶手段２７に記憶された計測値を基に真の高さデータ（絶対高さデータ）を取得する高さデータ取得手段２８と、該高さデータ取得手段２８により得られた高さデータを基にクリーム半田４の印刷状態を検査する判定手段３０とを備えている。照明装置４（液晶格子４ｂ）を制御する照明制御手段２２により本実施形態における位相制御手段が構成される。

なお、図示は省略するが、基板検査装置１は、キーボードやタッチパネルで構成される入力手段、ＣＲＴや液晶などの表示画面を有する表示手段、検査結果等を格納するための記憶手段、半田印刷機等に対し検査結果等を出力する出力手段等を備えている。

次に基板検査装置１よるプリント基板２の検査手順について、各検査エリアごとに行われる検査ルーチンを基に詳しく説明する。この検査ルーチンは、制御装置６にて実行されるものである。

制御装置６（モータ制御手段２３）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、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（計測範囲）に合わせる。なお、検査エリアは、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。

続いて、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切替制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の位置を所定の基準位置（位相「０°」）に設定すると共に、そのピッチを第１光パターンに対応した周期６００μｍに設定する。

液晶格子４ｂの切替設定が完了すると、制御装置６は、まず照明制御手段２２により照明装置４の光源４ａを発光させ、第１光パターン（周期６００μｍ）の照射を開始すると共に、カメラ制御手段２１によりカメラ５を駆動制御して、当該第１光パターンが照射された検査エリア部分を撮像する。ここで、カメラ５により撮像された画像データは、画像データ記憶装置２４へ転送され記憶される。

同様に、上記一連の撮像処理を、位相を９０°ずつシフトさせた３通り（位相「９０°」、位相「１８０°」、位相「２７０°」）の第１光パターンの下で行う。これにより、所定の検査エリアにつき、位相を９０°ずつシフトさせた第１光パターンの下で撮像された４通りの画像データが取得される。

そして、制御装置６（三次元計測手段２６）は、位相シフト法により、上記４通りの画像データ（輝度値）から各座標における第１光パターンの位相θ₁を算出する。

ここで、上記４通りの画像データの各座標における輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃は、下記式（Ｈ１）、（Ｈ２）、（Ｈ３）、（Ｈ４）により表すことができる。

上記式（Ｈ１）、（Ｈ２）、（Ｈ３）、（Ｈ４）を位相θ₁について解くと、下記式（Ｈ５）を導き出すことができる。

そして、上記のように算出された位相θ₁を用いて、三角測量の原理に基づき各座標における第１高さ計測値を算出し、かかる第１高さ計測値を第１計測値として計測値記憶手段２７に記憶する。従って、これら一連の処理機能により本実施形態における第１計測値取得手段が構成される。

次に第１光パターンの下で撮像された上記４通りの画像データから各座標におけるゲインＡ及びオフセットＢを特定する。かかる処理機能により本実施形態におけるゲインオフセット取得手段が構成される。但し、ゲインＡ及びオフセットＢの算出処理は、上記４通りの画像データの取得後、上記第１高さ計測値の算出処理と並行して行われる。

ここでゲインＡ及びオフセットＢを算出する手順についてより詳しく説明する。４通りの画像データの各座標における輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃と、ゲインＡ及びオフセットＢとの関係は、上記式（Ｈ１）〜（Ｈ４）のとおりである。

ここで、４通りの画像データの輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃を加算し、上記式（Ｈ１）〜（Ｈ４）を下記［数３］に示すように整理すると、下記式（Ｈ６）を導き出すことができる。

また、上記式（Ｈ１）、（Ｈ３）から、下記式（Ｈ７）を導き出すことができる。

また、上記式（Ｈ２）、（Ｈ４）から、下記式（Ｈ８）を導き出すことができる。

そして、下記［数６］に示すように、上記式（Ｈ７）、（Ｈ８）を下記式（Ｈ９）に代入し、整理していくと、下記式（Ｈ１０）を導き出すことができる。

このように算出された各座標におけるゲインＡ及びオフセットＢは、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶される。

次に制御装置６は、第２光パターン（周期８００μｍ）に係る撮像処理を開始する。但し、第２光パターンに係る撮像処理は、第１光パターンに係る一連の撮像処理の終了後、直ちに開始される。つまり、上記第１高さ計測値の算出処理、及び、ゲインＡ及びオフセットＢの算出処理と並行して行われる。

より詳しくは、制御装置６は、照明装置４の液晶格子４ｂを切替制御し、当該液晶格子４ｂに形成される格子の位置を再び基準位置（位相「０°」）に設定すると共に、そのピッチを第２光パターンに対応した周期８００μｍに設定する。

液晶格子４ｂの切替設定が完了すると、制御装置６は、まず照明制御手段２２により照明装置４の光源４ａを発光させ、第２光パターン（周期８００μｍ）の照射を開始すると共に、カメラ制御手段２１によりカメラ５を駆動制御して、当該第２光パターンが照射された検査エリア部分を撮像する。ここで、カメラ５により撮像された画像データは、画像データ記憶装置２４へ転送され記憶される。

尚、本実施形態における第２光パターンに係る撮像処理は、位相「０°」の第２光パターンの下で行われる１回のみである。つまり、本実施形態では、所定の検査エリアにつき、位相「０°」の第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データのみが取得されることとなる。

そして、制御装置６（三次元計測手段２６）は、第２光パターンの下で撮像された１通りの画像データ（輝度値）と、ゲイン・オフセット記憶手段２５に記憶されたゲインＡ及びオフセットＢの値を基に、各座標における第２光パターンの位相θ₂を算出する。

ここで、上記１通りの画像データの各座標における輝度値Ｖ₂₀は、下記式（Ｈ１１）により表すことができる。

上記式（Ｈ１１）を位相θ₂について解くと、下記式（Ｈ１２）を導き出すことができる。

そして、上記のように算出された位相θ₂を用いて、三角測量の原理に基づき各座標における第２高さ計測値を算出し、かかる第２高さ計測値を第２計測値として計測値記憶手段２７に記憶する。従って、これら一連の処理機能により本実施形態における第２計測値取得手段が構成される。

次に制御装置６（高さデータ取得手段２８）は、計測値記憶手段２７に記憶された各座標に係る第１計測値及び第２計測値を基に、該座標に係る真の高さデータを取得する。かかる処理機能により本実施形態における高さデータ取得手段が構成される。

ここで、高さデータの取得方法について図３に例示した具体例を基に説明する。かかる例では、第１光パターン（周期６００μｍ）により、「−３００（μｍ）」、「−２００（μｍ）」、「−１００（μｍ）」・・・といったように、「−３００（μｍ）」〜「＋３００（μｍ）」の範囲内にある高さを、「１００（μｍ）」刻みの精度で計測可能となっている。尚、「＋３００（μｍ）」は１つ上の縞次数における「−３００（μｍ）」に相当する。

一方、第２光パターン（周期８００μｍ）によっては、「−４００（μｍ）」、「−３００（μｍ）」、「−２００（μｍ）」・・・といったように、「−４００（μｍ）」〜「＋４００（μｍ）」の範囲内にある高さを、「１００（μｍ）」刻みの精度で計測可能となっている。尚、「＋４００（μｍ）」は１つ上の縞次数における「−４００（μｍ）」に相当する。

そして、所定の被計測座標に関し、第１計測値として得られた値が例えば「＋１００（μｍ）」であった場合には、当該被計測座標の真の高さデータの候補は、縞次数［１］の「＋１００（μｍ）」、縞次数［２］の「＋７００（μｍ）」、又は縞次数［３］の「＋１３００（μｍ）」となる。

ここで、同一の被計測座標につき、第２計測値として得られた値が例えば「−１００（μｍ）」であった場合には、当該被計測座標の真の高さデータは、縞次数［２］の第１計測値に対応する値である「＋７００（μｍ）」と特定される。

そして、制御装置６（判定手段３０）は、このように得られた検査エリアの各座標における真の高さデータに基づいて、基準面より高くなったクリーム半田の印刷範囲を検出し、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半田の量を算出する。

続けて、制御装置６（判定手段３０）は、このようにして求めたクリーム半田の位置、面積、高さ又は量等のデータを、予め記憶した基準データと比較判定し、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半田の印刷状態の良否を判定する。

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とで、プリント基板２全体の検査が終了する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、第１周期（周期６００μｍ）の第１光パターンをプリント基板２に照射して得られた画像データを基に三次元計測を行い、当該計測値を第１計測値として取得すると共に、第２周期（周期８００μｍ）の第２光パターンをプリント基板２に照射して得られた画像データ等を基に三次元計測を行い、当該計測値を第２計測値として取得する。そして、第１計測値及び第２計測値から特定される高さデータを、真の高さデータとして取得する。これにより、周期の長い第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、広い計測レンジで高分解能の計測を行うことができ、より高精度な計測を実現することができる。

さらに、本実施形態では、第１光パターンによる計測時に撮像された画像データから得られる各座標のゲインＡやオフセットＢの値を利用することにより、第２光パターンによる計測を行う際には、第２光パターンの下で撮像すべき画像数（撮像回数）が、第１光パターンの下で撮像すべき画像数より少なくて済む。

具体的には、第１光パターンを４通りの位相で照射し、その下で４通りの画像を撮像した後、第２光パターンを１通りの位相で照射し、その下で１通りの画像を撮像する構成となっているため、撮像回数が計５回となり、撮像時間が大幅に減少する。

従って、単に周期が異なる２種類の光パターンを用いるだけの従来技術に比べ、総合的な撮像回数が少なくて済み、撮像時間を短縮することができる。結果として、計測時間を飛躍的に短縮することができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では、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半田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半田バンプや、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）上記実施形態では、光源４ａからの光を縞状の光パターンに変換するための格子を、液晶格子４ｂにより構成すると共に、これを切替制御することにより、光パターンの位相をシフトさせる構成となっている。これに限らず、例えば格子部材をピエゾアクチュエータ等の移送手段により移送させ、光パターンの位相をシフトさせる構成としてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、第１光パターンによる計測時において、位相が９０°ずつ異なる４通りの第１光パターンの下で撮像された４通りの画像データを基に、位相シフト法により高さ計測を行う構成となっているが、これに限らず、例えば位相が１２０°ずつ異なる３通りの第１光パターンの下で撮像された３通りの画像データを基に高さ計測を行う構成としてもよい。つまり、第１光パターンの下での撮像回数である「第１所定数」は、少なくとも位相シフト法により高さ計測を実行可能な数であれば良い。

（ｄ）上記実施形態では、第２光パターンによる計測時において、位相シフトせず、１通りの位相の第２光パターンを照射して得られた１通りの画像データを基に、既知のゲインＡ及びオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成となっている。これに限らず、例えば位相が異なる２通りの第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に、既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成としてもよい。

つまり、第２光パターンの下での撮像回数である「第２所定数」は、少なくとも第１光パターンの下での撮像回数である「第１所定数」よりも少ない数であれば良い。例えば第１光パターンによる計測時において、４通りの位相の第１光パターンの下で撮像された４通りの画像データを基に高さ計測を行う構成となっている場合には、第２光パターンによる計測時において、３通りの位相の第２光パターンの下で撮像された３通りの画像データを基に、既知のゲインＡ及び／又はオフセットＢの値を利用して高さ計測を行う構成としてもよい。かかる場合においても、従来に比べれば、比較的簡単な演算式に基づいて第２光パターンの位相θ₂を求めることができ、処理の高速化が可能となる。

（ｅ）位相が異なる２通りの第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に高さ計測を行う構成としては、例えば位相が９０°異なる２通りの第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に高さ計測を行う構成が挙げられる。

かかる構成によれば、各座標における第２光パターンの位相θ₂は、第２光パターンにより取得した２通りの画像データ上の各座標における既知の輝度値Ｖ₂₀，Ｖ₂₁、並びに、第１光パターンにより取得した既知のオフセットＢにより特定することができる〔上記式（Ｔ８）参照〕。また、かかる構成によれば、「tan^-1」を用いた演算式に基づいて位相θ₂を求めることができるため、−１８０°〜１８０°の３６０°の範囲で高さ計測可能となり、計測レンジをより大きくすることができる。

勿論、位相が９０°異なる２通りの第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に高さ計測を行う構成に限らず、例えば位相が１８０°異なる２通りの第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データを基に高さ計測を行う構成としてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、周期が短い方の第１光パターン（周期６００μｍ）によって第１計測を行い（第１計測値を取得し）、周期が長い方の第２光パターン（周期８００μｍ）によって第２計測を行う（第２計測値を取得する）構成となっているが、これに限らず、周期が長い方の光パターンによって第１計測を行い、周期が短い方の光パターンによって第２計測を行う構成としてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、周期６００μｍの第１光パターンと、周期８００μｍの第２光パターンとを組合わせて、高さ１５００μｍまでの計測を行う場合を例示しているが、勿論、各光パターンの周期や分解能、計測範囲はこれに限定されるものではない。例えば、第１光パターンの周期をより短く（例えば４００μｍ）して、第１光パターンの縞次数が４以上となる範囲で計測可能な構成としてもよい。

（ｈ）上記実施形態では、第１計測値及び第２計測値として高さ計測値が計測値記憶手段２７に記憶される構成となっているが、これに限らず、第１計測値及び第２計測値として位相計測値（位相θ₁，θ₂）が記憶される構成としてもよい。

（ｉ）上記実施形態では、周期の異なる２種類の光パターンを照射して計測レンジを拡大する構成となっているが、これに限らず、周期の異なる３種類以上の光パターンを照射して計測レンジを拡大する構成としてもよい。

例えば３種類（周期α，β，γ）の光パターンを照射する場合には、このうち周期αの光パターンを「第１光パターン」と見れば、周期β及び／又は周期γの光パターンを「第２光パターン」と見ることができる。但し、周期αの光パターンによる計測は、３種類の計測のうち１番目に行われる計測に限らず、２番目に行われる計測であってもよい。周期αの光パターンによる計測が２番目に行われる計測である場合には、３番目に行われる周期β又は周期γの光パターンによる計測において、周期αの光パターンにより取得されたゲインＡ及び／又はオフセットＢが利用されることとなる。

１…基板検査装置、２…プリント基板、４…照明装置、４ａ…光源、４ｂ…液晶格子、５…カメラ、６…制御装置、２２…照明制御手段、２４…画像データ記憶手段、２５…ゲイン・オフセット記憶手段、２６…三次元計測手段、２７…計測値記憶手段、２８…高さデータ取得手段、Ａ…ゲイン、Ｂ…オフセット。

Claims (4)

1. 少なくとも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被計測物に対し照射可能な照射手段と、
   前記照射手段から照射する前記光パターンの位相を複数通りに変化可能な位相制御手段と、
   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手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像データを基に位相シフト法により前記被計測物の三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備え、
   前記画像処理手段は、
   第１周期の第１光パターンを第１所定数通りの位相で照射し撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、該画像データ上の被計測座標に係る計測を行い、該計測値を前記被計測座標に係る第１計測値として取得する第１計測値取得手段と、
   前記第１光パターンの下で撮像された前記第１所定数通りの画像データを基に、前記被計測座標に係るゲイン及び／又はオフセットの値を取得するゲインオフセット取得手段と、
   前記第１周期とは異なる第２周期の第２光パターンを前記第１所定数通りよりも少ない第２所定数通りの位相で照射し撮像された前記第２所定数通りの画像データを基に、前記ゲインオフセット取得手段により取得されたゲイン及び／又はオフセットの値を利用して、前記被計測座標に係る計測を行い、該計測値を前記被計測座標に係る第２計測値として取得する第２計測値取得手段と、
   前記第１計測値及び前記第２計測値から特定される高さデータを、前記被計測座標に係る高さデータとして取得可能な高さデータ取得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所定数が１の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｓ１）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出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。
   Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｓ１）
   但し、Ｖ₀：被計測座標の輝度値、Ａ：被計測座標のゲイン、Ｂ：被計測座標のオフセット。
3. 前記第２所定数が２の場合、前記第２計測値取得手段は、前記第２計測値を取得する際に、少なくとも下記式（Ｔ１），（Ｔ２）の関係を満たす前記第２光パターンの位相θを算出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。
   Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（Ｔ１）
   Ｖ₁＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ ・・・（Ｔ２）
   但し、Ｖ₀，Ｖ₁：２通りの画像データの被計測座標の輝度値、Ａ：被計測座標のゲイン、Ｂ：被計測座標のオフセット。
4. 前記被計測物が、プリント基板に印刷されたクリーム半田、又は、ウエハ基板に形成された半田バンプである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。

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