JP3723139B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

【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２７１１０４２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】
【発明が解決しようとする課題】
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、位相を変化させる度に撮像を行わなければならず、結果として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とともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき、当該画像の輝度データを整合させる演算を行う第１の演算手段と、少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算する第２の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、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、第１の演算手段により、前記撮像手段にて撮像された少なくとも２通りの画像データに基づいて、当該画像の輝度データが整合される。さらに、第２の演算手段により、少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分パターン毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、計測対象物の色により、各光成分パターンについて得られる画像の輝度レベルが異なってしまう場合においても、各輝度データを整合することにより、適正な輝度レベルに揃えられる。このように、予め適正な輝度レベルに揃えることで、比較的容易な演算により正確な高さが求められる。また、演算により輝度レベルの整合するため、光学的に輝度レベルを揃えるための別途の装置や、装置の設定に伴う複雑な演算等を必要としない。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。尚、「少なくとも２つの光成分パターン」に代えて「少なくとも３つの光成分パターン」としてもよい。さらに、この場合、「少なくとも２通り」に代えて「少なくとも３通り」としてもよい。
【００１２】
手段２．少なくとも計測対象物に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき、当該画像の輝度データを整合させる演算を行う第１の演算手段と、少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算する第２の演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１３】
手段２によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも２つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、第１の演算手段により、前記撮像手段にて撮像された少なくとも２通りの画像データに基づいて、当該画像の輝度データが整合される。さらに、第２の演算手段により、少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、位相シフト法によって、少なくとも前記計測対象物の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分パターン毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、計測対象物の色により、各光成分パターンについて得られる画像の輝度レベルが異なってしまう場合においても、各輝度データを整合することにより、適正な輝度レベルに揃えられる。このように、予め適正な輝度レベルに揃えることで、比較的容易な演算により正確な高さが求められる。また、演算により輝度レベルの整合するため、光学的に輝度レベルを揃えるための別途の装置や、装置の設定に伴う複雑な演算等を必要としない。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。尚、「少なくとも２つの光成分パターン」に代えて「少なくとも３つの光成分パターン」としてもよい。さらに、この場合、「少なくとも２通り」に代えて「少なくとも３通り」としてもよい。
【００１４】
手段３．前記照射手段は、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる２つの光成分パターンを同時に照射可能であることを特徴とする手段１又は２に記載の三次元計測装置。
【００１５】
手段３によれば、照射する光成分パターンが２つで済むことから、照明手段をはじめとする各種装置の簡素化及びコストの低減を図ることができる。なお、この場合、「少なくとも２通り」に代えて「２通り」としてもよい。
【００１６】
手段４．少なくとも計測対象物に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた画像データのうち、画像解析に不適切な画像データを除外可能なデータ除外手段と、除外対象とならない画像の輝度データを整合させる演算を行う第１の演算手段と、少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算する第２の演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１７】
手段４によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも３つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、データ除外手段により、画像解析に不適切な画像データが除外される。さらに、第１の演算手段により、除外対象とならない画像の輝度データが整合される。また、第２の演算手段により、少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、位相シフト法によって、少なくとも前記計測対象物の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分パターン毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。併せて、計測対象物の色により、各光成分パターンについて得られる画像の輝度レベルが異なってしまう場合においても、各輝度データを整合することにより、適正な輝度レベルに揃えられる。このように、予め適正な輝度レベルに揃えることで、比較的容易な演算により正確な高さが求められる。また、演算により輝度レベルの整合するため、光学的に輝度レベルを揃えるための別途の装置や、装置の設定に伴う複雑な演算等を必要としない。その結果、設計及び設備の簡素化を図ることができる。さらに、画像解析に不適切なデータが除外されるため、適正な高さの演算ができなくなってしまったり、演算に悪影響が及んでしまったりするといった不具合を防止でき、また、適正なデータに基づいて演算が行われることで、一層正確な高さが求められる。
【００１８】
手段５．前記データ除外手段は、不適切な画像データとして、所定の輝度レベルに到達していないもの、又は、所定の輝度レベルを超えるものを選択可能であることを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。
【００１９】
手段５によれば、データ除外手段によって、所定の輝度レベルに到達していない画像データや所定の輝度レベルを超える輝度の高すぎる画像データが、不適切な画像データとして除外される。すなわち、輝度を比較するだけの比較的容易な手段によって、除外すべき画像データを選択できる。また、所定の輝度レベルに到達していない等の不適切な画像データを、無理に整合をとって高さ演算することにより演算結果に悪影響が及んでしまうのを防止できる。
【００２０】
手段６．前記第１の演算手段は、前記画像データ毎に、前記計測対象物に照射された縞に交差する方向のライン上の輝度の変化に基づいて、輝度データを整合するための演算をすることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２１】
手段６によれば、各画像データ毎に照射された縞に交差する方向のライン上の位置と輝度との関係のデータが得られる。このため、該データにより各輝度の変化が把握でき、その結果、比較的容易かつ確実に輝度データを整合できる。
【００２２】
手段７．前記第１の演算手段は、前記画像データ毎に、前記計測対象物に照射された縞に交差する方向のライン上の位置と輝度との関係をチャート化し、各チャート毎に異なる振幅とオフセット成分とを所定の振幅及び所定のオフセット成分に揃えた輝度データに変換することにより、輝度データを整合することを特徴とする手段２乃至５のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２３】
手段７によれば、第１の演算手段によって、各画像データ毎に照射された縞に交差する方向のライン上の位置と輝度との関係のチャートが得られる。該チャートは、略正弦波状をなしているため、各チャート毎の振幅とオフセット成分とを比較的容易に、所定の振幅及び所定のオフセット成分に揃えることができる。
【００２４】
手段８．前記第１の演算手段は、前記チャート化されたデータの極大値及び極小値に基づいて、前記チャートの振幅とオフセット成分とを演算することを特徴とする手段７に記載の三次元計測装置。
【００２５】
手段８によれば、第１の演算手段によって、チャート化されたデータの極大値及び極小値に基づいて、前記チャートの振幅とオフセット成分とが演算される。チャート化されたデータは、略正弦波状をなしているため、比較的容易に極大値及び極小値を検出できる。また、極大値及び極小値のデータのみで演算できるため、比較的容易な演算により振幅をオフセット成分とを算出できる。また、処理するデータが比較的少数で済むため、演算に要する時間の短縮を図ることができる。
【００２６】
手段９．前記交差する方向は、直交又は略直交する方向であることを特徴とする手段６乃至８のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００２７】
手段９によれば、同一範囲内における縞の本数が最も多くなることから、より精度よく整合させることができる。
【００２８】
手段１０．少なくとも計測対象物に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた画像データのうち、画像解析に不適切な画像データを除外可能なデータ除外手段と、少なくとも２通りの画像の輝度データに基づき、前記計測対象物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。
【００２９】
手段１０によれば、少なくとも計測対象物に対し、照射手段によって、少なくとも３つの光成分パターンが同時に照射される。各光成分パターンは、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係が異なっている。また、光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光が、撮像手段によって各光成分毎に分離されて撮像される。そして、データ除外手段により、画像解析に不適切な画像データが除外される。さらに、演算手段により、少なくとも２通りの画像の輝度データに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さが演算される。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分パターン毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、もって、計測に要する時間の飛躍的な短縮を図ることができる。さらに、画像解析に不適切なデータが除外されるため、適正な高さの演算ができなくなってしまったり、演算に悪影響が及んでしまったりするといった不具合を防止でき、また、適正なデータに基づいて演算が行われることで、一層正確な高さが求められる。なお、この場合、位相シフト法によって、少なくとも前記計測対象物の高さを演算することとしてもよい。
【００３０】
手段１１．前記データ除外手段は、不適切な画像データとして、所定の輝度レベルに到達していないもの、又は、所定の輝度レベルを超えるものを選択可能であることを特徴とする手段１０に記載の三次元計測装置。
【００３１】
手段１１によれば、データ除外手段によって、所定の輝度レベルに到達していない画像データや所定の輝度レベルを超える輝度の高すぎる画像データが、不適切な画像データとして除外される。すなわち、輝度を比較するだけの比較的容易な手段によって、除外すべき画像データを選択できる。また、所定の輝度レベルに到達していない等の不適切な画像データを、無理に整合をとって高さ演算することにより演算結果に悪影響が及んでしまうのを防止できる。
【００３２】
手段１２．前記計測対象物がプリント基板上に印刷されたクリームハンダであり、該クリームハンダの高さから印刷状態の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする手段１乃至１１のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００３３】
手段１２によれば、プリント基板上に印刷されたクリームハンダの高さが計測され、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。
【００３４】
手段１３．前記計測対象物がプリント基板上に設けられたハンダバンプであり、該ハンダバンプの高さからハンダバンプの形状の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする手段１乃至１１のいずれかに記載の三次元計測装置。
【００３５】
手段１３によれば、プリント基板上に設けられたハンダバンプの高さが計測され、その計測値に基づいて良否判定が行われる。このため、ハンダバンプ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。
【００３６】
尚、手段１乃至１３（手段１０及びそれに関連する各手段を除く）のいずれかに記載の前記第１、第２の演算手段は、それぞれ独立して構成されていてもよいし、１つの演算手段としてとらえてもよい。また、後者の１つの演算手段に手段４等に記載のデータ除外手段を含めることとしてもよい。
【００３７】
【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。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、計測対象物としてのクリームハンダＨ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所定の光成分パターンを照射するための照射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Ｈは、平面をなすプリント基板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。また、プリント基板Ｋは、電極パターンの配線部分以外にクリームハンダＨがのらないように、レジストコーティングされている。
【００３８】
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。
【００３９】
本実施の形態における照明装置３からは、赤、緑、青のそれぞれ位相の異なる光成分パターンが照射されるようになっている。より詳しくは、図２に示すように、照明装置３は、光源１１と、光源１１からの光を集める集光レンズ１２と、照射レンズ１３と、両レンズ１２，１３間に配設された赤、緑、青色のフィルタ格子縞板１４，１５，１６とを備えている。赤色フィルタ格子縞板１４は、部位に応じて赤色の度合いが正弦波状（縞状）に変化しており、赤色の成分についてのみ縞状に遮光（透光）させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。また、緑色フィルタ格子縞板１５は、部位に応じて緑色の度合いが正弦波状（縞状）に変化しており、緑色の成分についてのみ縞状に遮光（透光）させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。但し、その正弦波は、赤色フィルタ格子縞板１４に比べて所定ピッチ位相がずれている。さらに、青色フィルタ格子縞板１６は、部位に応じて青色の度合いが正弦波状（縞状）に変化しており、青色の成分についてのみ縞状に遮光（透光）させ他の波長域の全透光を許容するようになっている。但し、その正弦波は、前記赤色及び緑色フィルタ格子縞板１４，１５に比べて所定ピッチ位相がずれている。つまり、これら赤、緑、青色のフィルタ格子縞板１４，１５，１６は、互いに位相がずらされた状態で張り合わされている（勿論、相互に離間していても差し支えない）。
【００４０】
そして、光源１１から放たれた光は、集光レンズ１２、前記各色フィルタ格子縞板１４，１５，１６、及び照射レンズ１３を経て縞状の光成分パターンとしてプリント基板Ｋ上に照射されるようになっている。
【００４１】
また、前記ＣＣＤカメラ４は、第１〜第３のダイクロイックミラー２１，２２，２３及びそれらに対応する第１〜第３の撮像部２４，２５，２６を備えている。すなわち、第１のダイクロイックミラー２１は、所定の波長域内（赤色光に対応）の光を反射（それ以外の波長の光を透過）し、第１の撮像部２４はその反射光を撮像する。また、第２のダイクロイックミラー２２は、所定の波長域内（緑色光に対応）の光を反射（それ以外の波長の光を透過）し、第２の撮像部２５はその反射光を撮像する。さらに、第３のダイクロイックミラー（通常のミラーを用いてもよい）２３は、所定の波長域内（青色光に対応）の光を反射（それ以外の波長の光を透過）し、第３の撮像部２６はその反射光を撮像する。
【００４２】
本実施の形態においては、図１，２に示すように、前記ＣＣＤカメラ４、照明装置３、及び、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。
【００４３】
また、制御装置７は、照明装置３を駆動制御して光成分パターンの照射を開始する。このとき、光成分パターンには、位相が相違する複数の波長域のものが含まれているため、従来のように位相を経時的にシフトさせるといった処理を必要としない。さらに、このようにして各光成分パターンの位相がずらされた一斉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、これら各波長域毎に（撮像部２４〜２６ごとに）検査エリア部分を一斉に撮像し、それぞれ３画面分の画像データを得る。
【００４４】
さて、制御装置７は画像メモリを備えており、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Ｈ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。
【００４５】
次に、制御装置７の行う画像処理及び演算処理、並びに、比較判定処理について説明する。制御装置７は、まず、得られた３画面の画像データに基づき、基準面高さを算出する。基準面高さは、平面を撮像した光成分パターンの輝度のチャートに基づいて算出される。すなわち、制御装置７は、基準面高さ測定用平面としてのプリント基板ＫのクリームハンダＨの印刷されていない部分である非ハンダ領域、すなわち、レジストコーティング領域の高さを算出する。
【００４６】
より詳しくは、画像データに基づき、非ハンダ領域の光成分パターンの縞に直交する方向の所定ライン上の座標と輝度との関係を各光成分パターンについてチャート化する。すると、図３に示すような正弦波状のチャートがそれぞれ得られる。該チャートとして得られる輝度レベルが、基準面の表面色（本実施の形態ではレジストの色）の影響等により、各光成分パターン毎に異なる場合がある。
【００４７】
例えば、基準面が緑色である場合、図４（ａ）に示すように、各チャートにおいて、緑色の輝度は比較的高く、赤色、青色の輝度はやや低くなる傾向にある。また、基準面が赤色である場合、図４（ｂ）に示すように、赤色の輝度は比較的高く、緑色の輝度はやや低く、青色の輝度は非常に低くなる傾向にある。この場合、青色の輝度は画像解析に必要な最低輝度レベルに到達しないことがある。さらに、基準面が青色である場合、図４（ｃ）に示すように、青色の輝度は比較的高く、緑色の輝度はやや低く、赤色の輝度は非常に低くなる傾向にある。この場合、赤色の輝度は画像解析に必要な最低輝度レベルに到達しないことがある。
【００４８】
そこで本実施の形態では、まず、制御装置７は、最低輝度レベルに到達しない光成分パターンが存在するか否かを確認する。すなわち、各チャートにおける平均輝度値が算出された上で、該平均輝度値が所定の輝度値以下の光成分については、最低輝度レベルに到達してないものと判断される。そして、該判断により、最低輝度レベルに到達しない光成分パターンが存在すれば、その光成分パターンのデータが除外された上で（データ除外手段）、演算が進められる。
【００４９】
次に、各光成分パターンの比較のために、輝度データを整合させる。本実施の形態では、図５（ａ），（ｂ）に示すように、各チャート毎に異なる振幅とオフセット成分とを所定の振幅Ａ及び所定のオフセット成分Ｂに揃えることで、画面上の点Ｐの輝度Ｖａｉを変換輝度Ｖｉに変換する。ある１つの光成分パターンを取り上げて説明すると、画像データから得られた元のチャートの振幅Ａｘとオフセット成分Ｖｃは下式（１），（２）により算出される。
【００５０】
【数１】

【００５１】
【数２】

【００５２】
（但し、Ｖｍａｘ，ｍ：極大値、Ｖｍｉｎ，ｎ：極小値、ａ：極大値の取得個数、ｂ：極小値の取得個数。）
上式（１），（２）に基づき、変換輝度Ｖｉが、下式（３）により算出される。
【００５３】
Ｖｉ＝Ａ／Ａｘ（Ｖａｉ−Ｖｃ）＋Ｂ ・・・（３）
（但し、Ａ：所定の振幅、Ｂ：所定のオフセット成分。）
このように、除外の対象とはならない光成分パターンについて、それぞれ上式（３）に基づき、変換後の輝度データが算出される。
【００５４】
さらに、制御装置７は、前記変換輝度Ｖｉに基づいて、高さを導き出すための位置情報θを導出するための演算を行う。プリント基板Ｋに投影された光成分パターンに関して、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ずれた各波長域での画像データに基づき、位相シフト法（縞走査法）の原理に基づいて反射面の高さを算出するのである。
【００５５】
ここで、前記赤色、緑色、青色の光成分パターンうち、いずれのパターンも除外されない場合について説明する。赤色、緑色、青色の変換輝度Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２は、正弦波状となっており、それぞれ下式（４）〜（６）のように表すことができる。
【００５６】
Ｖ０＝Ａｓｉｎθ＋Ｂ ・・・（４）
Ｖ１＝Ａｓｉｎ（θ＋α）＋Ｂ ・・・（５）
Ｖ２＝Ａｓｉｎ（θ＋β）＋Ｂ ・・・（６）
（但し、α：赤色と緑色との相対位相角度、β：赤色と青色との相対位相角度、α≠０，β≠０，α≠β。）
これらの式（４）〜（６）より、下式（７）が導き出される。
【００５７】
【数３】

【００５８】
式（７）に基づき、相対位相角度α，β及び式（３）により算出された変換輝度Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２を入力することで、位置情報θが算出される。
【００５９】
一方、前記赤色、緑色、青色の光成分パターンうち１つ、例えば青色の光成分パターンが除外される場合について説明する。赤色、緑色の変換輝度Ｖ０，Ｖ１は、正弦波であるため、それぞれ下式（８），（９）のように表すことができる。
【００６０】
Ｖ０＝Ａｓｉｎθ＋Ｂ ・・・（８）
Ｖ１＝Ａｓｉｎ（θ＋α）＋Ｂ ・・・（９）
（但し、α：赤色と緑色との相対位相角度、α≠０，α≠π。）
これらの式（８），（９）より、下式（１０）が導き出される。
【００６１】
ｔａｎθ＝Ｋｓｉｎα／（１−Ｋｃｏｓα） ・・・（１０）
但し、
Ｋ＝（Ｖ０−Ｂ）／（Ｖ１−Ｂ） ・・・（１１）
式（１０），（１１）に基づき、相対位相角度α及び式（３）により算出された変換輝度Ｖ０，Ｖ１を入力することで、位置情報θが算出される。同様の演算方法で、赤色又は緑色が除外されるときも演算可能である。
【００６２】
このように演算された位置情報θを用いて、下式に基づいて点Ｐの高さＺを求める。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（１２）により表される。
【００６３】
ε＝ｆ（θ＋２ｎπ） ・・（１２）
そして、高さＺは、下記式（１３）に従って導き出される。
【００６４】
Ｚ＝Ｌｐ−Ｌｐｃ／ｔａｎε＋Ｘｐ／ｔａｎε ・・（１３）
（但し、Ｌｐ：照明装置３の基準面からの高さ、Ｌｐｃ：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、基準面高さとして制御装置７のメモリに格納される。
【００６５】
次に、制御装置７は、得られた３画面の画像データを用いて、クリームハンダＨの印刷されたハンダ領域内の高さを算出する。まず、画像データに基づき、ハンダ領域のうちほぼ平面をなす部分に対して、光成分パターンの縞に直交する方向の所定ライン上の座標と輝度との関係を各光成分パターンについてチャート化する。そして、基準面高さの演算と同様に、各チャートの輝度レベルの確認と、振幅及びオフセット成分の算出とを行う。尚、クリームハンダＨは、一般的に銀白色であるため、３つの光成分パターン全ての輝度データを利用することができることが多い。ここで算出された振幅とオフセット成分とに基づき、ハンダ領域全体における各光成分パターン毎の輝度データを整合させた変換後の輝度データが算出可能となる。そして、基準面高さの演算と同様の手順及び計算式によりハンダ領域の高さが撮像画面の画素Ｐ単位に演算され、制御装置７のメモリに格納される。
【００６６】
また、当該各部のデータに基づいて、検査エリア内での基準面に対するハンダ領域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Ｈ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Ｈの高さ、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Ｈの印刷状態の良否が判定されるのである。
【００６７】
以上詳述したように、本実施の形態によれば、異なる相対位相関係下においてＣＣＤカメラ４による３画面の画像データに基づき、プリント基板Ｋの高さを演算することとした。従って、相対位相関係を異ならせる毎に撮像を行う必要があった従来技術とは異なり、各光成分毎に、異なる相対位相関係下毎に、まとめて撮像を行うことができる。このため、１つのポイントに関し１回の照射及び１回の撮像を行えばよく、照射及び撮像に要する時間が著しく短縮が図られることとなり、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。
【００６８】
また、３通りずつの画像データに基づいてプリント基板Ｋ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、総合的なデータ数が少なくて済み、ひいては演算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。
【００６９】
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。
【００７０】
さらに、照明装置３から照射される各光成分パターン毎の輝度や、撮像される対象物であるプリント基板ＫのレジストやクリームハンダＨの色により、各光成分パターンについて得られる画像の輝度レベルが異なってしまう場合がある。本実施の形態によれば、各画像データからチャート化したデータに基づいて、比較的容易な演算をするだけで、各光成分パターンの整合、すなわち、振幅とオフセット成分を揃えた適正な輝度レベルに揃えられる。このため、整合や補正に際して、光学的に輝度レベルを揃えるための別途の装置や、装置の設定に伴う複雑な演算等を必要としない。また、適正な輝度レベルのデータに基づいて、高さの演算が行われることで、正確な高さが求められる。
【００７１】
加えて、画像解析に必要な最低輝度レベルに到達していない光成分パターンが存在する場合には、該光成分パターンを除外した上で、つまり、２つの光成分パターンに基づいて、高さの演算をすることができる。このため、撮像される対象物であるプリント基板ＫのレジストやクリームハンダＨの色が変わり、最低輝度レベルに到達していない光成分パターンが異なったものとなったり、除外すべき光成分パターンが変わったりしたような場合にも、特別な処理を施すことなく、適正な演算が可能となる。その結果、適正な演算が行われることで、一層正確に高さを求めることができる。
【００７２】
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。
【００７３】
（ａ）光成分パターンの座標と輝度との関係をチャート化する際に、光成分パターンの縞に直交する方向の所定ライン上の輝度を用いているが、予め光成分パターンの縞に平行な方向にスキャンし、その輝度の平均値に基づいてチャートを作成してもよい。この場合、より正確なチャートデータを得ることができる。さらに、この場合、前記スキャンする際に得られた異常なデータを削除するようにしてもよい。
【００７４】
（ｂ）最低輝度レベルに到達しない光成分パターンの存在の判断基準として、必ずしも、チャートにおける平均輝度値を用いる必要はない。例えば、チャートデータ中の最低輝度値を判断基準としてもよいし、高さ演算範囲全体の平均輝度値を判断基準としてもよい。
【００７５】
（ｃ）上記実施の形態では、各チャートの振幅とオフセット成分とを揃えるように演算しているが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、輝度データを整合させられればよい。
【００７６】
（ｄ）照明装置３によって照射される光は、特に正弦波に限定されず、位相の異なる光成分を縞状に照射できればよい。また、波長域は、上記実施の形態の赤色、緑色、青色に限定されず、波長域毎の分離撮像が可能であれば、別の波長域でもよい。さらには、３つの光成分ではなく、２つ又は４つ以上の光成分を照射するようにしてもよい。
【００７７】
（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Ｈ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。
【００７８】
（ｆ）上記実施の形態では、位相シフト法を用いて高さ等の算出を行っているが、必ずしも位相シフト法を用いる必要は無い。例えば、正弦波状をなさない縞状の光成分パターンを照射、撮像し、画像データに基づいて、比などから高さを算出するようにしてもよい。
【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。
【図２】一実施の形態におけるより詳細な三次元計測装置の構成を模式的に示す概略構成図である。
【図３】光成分パターンの縞に直交する方向のライン上の座標と輝度との関係を示すチャートである。
【図４】赤色、青色、緑色の光成分パターンにおける座標と輝度との関係を示すチャートであって、（ａ）は基準面が緑色の場合であって、（ｂ）は基準面が赤色の場合であって、（ｃ）は基準面が青色の場合である。
【図５】光成分パターンの輝度データの整合について説明するための図であって、（ａ）は整合前のチャートであって、（ｂ）は整合後の所定の振幅及び所定のオフセット成分に揃えたチャートである。
【符号の説明】
１…印刷状態検査装置、３…照明手段としての照明装置、４…撮像手段としてのＣＣＤカメラ、７…第１、第２の演算手段及びデータ除外手段を構成する制御装置、Ｈ…計測対象物としてのクリームハンダ、Ｋ…プリント基板。

Claims (11)

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とともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき、当該画像の輝度データを整合させる演算を行う第１の演算手段と、
   少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、少なくとも前記計測対象物の高さを演算する第２の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. 少なくとも計測対象物に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも２つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた少なくとも２通りの画像データに基づき、当該画像の輝度データを整合させる演算を行う第１の演算手段と、
   少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算する第２の演算手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
3. 前記照射手段は、縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる２つの光成分パターンを同時に照射可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元計測装置。
4. 少なくとも計測対象物に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた画像データのうち、画像解析に不適切な画像データを除外可能なデータ除外手段と、
   除外対象とならない画像の輝度データを整合させる演算を行う第１の演算手段と、
   少なくとも２通りの前記整合された輝度データに基づき、前記計測対象物の高さを位相シフト法により演算する第２の演算手段とを備え、
   前記データ除外手段は、不適切な画像データとして、所定の輝度レベルに到達していないもの、又は、所定の輝度レベルを超えるものを選択可能であることを特徴とする三次元計測装置。
5. 前記第１の演算手段は、前記画像データ毎に、前記計測対象物に照射された縞に交差する方向のライン上の輝度の変化に基づいて、輝度データを整合するための演算をす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. 前記第１の演算手段は、前記画像データ毎に、前記計測対象物に照射された縞に交差する方向のライン上の位置と輝度との関係をチャート化し、各チャート毎に異なる振幅とオフセット成分とを所定の振幅及び所定のオフセット成分に揃えた輝度データに変換することにより、輝度データを整合することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の三次元計測装置。
7. 前記第１の演算手段は、前記チャート化されたデータの極大値及び極小値に基づいて、前記チャートの振幅とオフセット成分とを演算することを特徴とする請求項６に記載の三次元計測装置。
8. 前記交差する方向は、直交又は略直交する方向であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の三次元計測装置。
9. 少なくとも計測対象物に対し、略正弦波の縞状の光強度分布を有するとともに、互いに異なる波長成分を有し、互いに相対位相関係の異なる少なくとも３つの光成分パターンを同時に照射可能な照射手段と、
   少なくとも前記光成分パターンの照射された計測対象物からの反射光を各光成分毎に分離して撮像可能な撮像手段と、
   前記撮像手段にて前記反射光を光成分毎に撮像して得られた画像データのうち、画像解析に不適切な画像データを除外可能なデータ除外手段と、
   少なくとも２通りの画像の輝度データに基づき、前記計測対象物の高さを演算する演算手段とを備え、
   前記データ除外手段は、不適切な画像データとして、所定の輝度レベルに到達していないもの、又は、所定の輝度レベルを超えるものを選択可能であることを特徴とする三次元計測装置。
10. 前記計測対象物がプリント基板上に印刷されたクリームハンダであり、該クリームハンダの高さから印刷状態の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の三次元計測装置。
11. 前記計測対象物がプリント基板上に設けられたハンダバンプであり、該ハンダバンプの高さからハンダバンプの形状の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の三次元計測装置。

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