JP4654693B2 - 検査画像撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板外観検査における検査画像撮像装置に関するものである。より詳細には、光ビームを被検査基板に順次照射させその反射光を受光素子にて検出し画像化する装置に関し、互いに非同期に出力される２種類のタイミング信号が原因で引き起こされる検査画像の画素ズレ補正を行う技術に関するものである。

回転しながらレーザを偏向するポリゴンミラーと、回動しながら偏向されたレーザによって表面を走査される感光体について、前記ポリゴンミラーと感光体の互いに非同期に出力されるタイミング信号の位相を一致させ、画素ズレの補正を行う取り組みがなされている。この方法はポリゴンミラーの回転を変化させることで位相の調整を行い、それに伴って画素密度が不均一になる事を避けるためポリゴン回転の変化量に見合った画素クロックを発振器より出力することで画素密度を一様に保つ方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１４７８５９号公報

しかしながら、撮像開始を決定する撮像開始希望位置到達信号及びＳ軸撮像開始位置告知信号は互いに非同期であるため実際に撮像される画像は、撮像開始希望位置に対して常時一定の位置から撮像が開始できず結果として撮像画像には短冊状画像毎に異なる量の画素ズレが発生するという課題を有している。

また同様の問題に取り組んだ前記特許文献１の構成では、画素ズレは発生しないものの、補正のための回路系が複雑になり、それに伴うコストアップは否めない。また、ポリゴンミラーの回転速度を感光体の回動により出力されるタイミング信号の位相のズレ量に伴い変化させるためポリゴンミラーの加減速及び速度の安定に必要な待機時間が必要となり検査までに必要な時間が延びるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被検査物の撮像が非同期に出力される２種類の信号の相互関係によって開始されることが原因で生じる画素ズレを撮像開始タイミング信号の出力時間差をもとに補正することが可能な検査画像撮像装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の検査画像撮像装置は、鏡面により光ビームを偏向し被検査物に対しＸ軸方向と略一致するＳ軸方向に前記偏向された光ビームを走査して該被検査物からの反射光を受光素子にて受光するセンサ部と、前記センサ部をＸ軸方向に駆動するＸ軸方向駆動部と、前記被検査物をＳ軸方向に略直角なＹ軸方向に駆動させるＹ軸方向駆動部と、前記鏡面により偏向された光ビーム走査開始位置のＹ軸方向位置と被検査物の撮像開始希望位置のＹ座標が一致したときに撮像開始希望位置到達信号を生成するＹ軸位置検知部と、前記光ビームがＳ軸撮像開始位置に到達したことを検知するとＳ軸撮像開始位置告知信号を出力するＳ軸位置検知部と、Ｓ軸方向の１ライン撮像を順次行うことで得られるＹ軸方向の所定の長さの短冊状画像データを一時的に記憶する画像バッファ部と、前記撮像開始希望位置到達信号と前記Ｓ軸撮像開始位置告知信号との時間差を測定する時間差測定部と、を備え、前記測定された時間差に基づいて前記短冊状画像データごとに位置ズレ率を算出し、当該位置ズレ率に対応して前記画像バッファ部からの画像データを補正することを特徴としたものである。

本発明の検査画像撮像装置によれば、被検査物の撮像が非同期に出力される２種類の信号の相互関係によって開始されることが原因で生じる画素ズレを、前記２種類の信号中１種類の信号より演算される撮像開始位置ズレ量を用いた補正を行うことで、より精密な撮像を行うことが可能となる。

以下に、本発明の検査画像撮像装置を使用して、非同期に出力される２種類の信号の相互関係によって撮像が開始されることを原因とする画素ズレの補正方法を図面とともに詳細に説明する。

図１は本発明にて使用するセンサ部を模式的に示したものであり、図２にはセンサ部を含む検査画像撮像装置全体の構成を模式的に示す。

まず始めにセンサ部の構造について図１を用いて説明を行う。

センサ部１は光源（レーザ光源）２、鏡面（ポリゴンミラー）３、走査レンズ４からなる走査光学系と集光レンズ５、受光素子６とからなる受光光学系にて構成される。走査光学系は、レーザ光源２からの光ビーム（レーザ）をポリゴンミラー３により偏向し、走査レンズ４を介して被検査物７にレーザを照射する。さらに、ポリゴンミラー３が回転することで偏向されたレーザは走査レンズ４に対する入射位置を順次変え、被検査物７上を図１に示すように１ライン走査される。この1ライン撮像幅３０ｍｍの走査方向がＳ軸でありＸ軸方向と略一致する。一方の受光光学系は、被検査物７からの反射光を集光レンズ５により受光素子６に集光させることで被検査物の画像信号を得ることとなる。

続いて各軸駆動部と被検査物の撮像について図２を用いて説明を行う。Ｙ軸位置検知部１０は、ＣＰＵ１１から撮像開始の指示が出るとレーザ走査開始位置（図４の光軸位置）のＹ軸方向位置と被検査物の撮像開始希望位置のＹ座標が一致したときに撮像開始希望位置到達信号Ｓ２を生成し撮像制御部１２に出力する。被検査物７の載置テーブル１３は、Ｙ軸方向駆動部１４により被検査物の撮像に必要な距離だけＹ軸方向に移動する。

一方、鏡面駆動部１５は偏向されたレーザを被検査物７上でＹ軸方向に対し略直角のＳ軸方向に走査するためポリゴンミラー３を回転させる。また図３，図４にはポリゴンミラー３とＳ軸撮像開始位置告知信号の関係を模式的に示した。ポリゴンミラー３の面境界にレーザが照射された場合を表す図３において，偏向されたレーザは被検査物７上を走査することが不可能であり，このときのＳ軸位置検知部１６による出力は図３の信号位置１に相当する．しかしポリゴンミラーがさらに回転後レーザが照射されると，偏向されたレーザは図４に示す通り被検査物７上のＳ軸撮像開始可能位置に到達する。このときＳ軸位置検知部１６は図４の信号位置２に示すＳ軸撮像開始位置告知信号Ｓ１を撮像制御部１２に出力する。またＳ軸撮像開始位置告知信号は前記Ｓ軸撮像開始可能位置にレーザが照射される角度に回転するポリゴンミラー３が位置する度に撮像制御部１２に対し出力される。

撮像制御部１２は、撮像開始希望位置到達信号Ｓ２の入力でトリガ待ち状態になり、Ｓ軸撮像開始位置告知信号Ｓ１の入力で１ライン撮像が開始される。しかしながら、図５に示すように撮像開始希望位置到達信号が入力後最初に入力されるＳ軸撮像開始位置告知信号であってもケース１及びケース２に示す例では、実際に撮像が開始される時間３１、３２には時間差３３が生じる。その結果撮像で得られる短冊状画像データには画像構成の最小単位である１画素未満のズレが含まれる。

本装置では、１２面構造かつ４００００ｒｐｍにて回転するポリゴンミラー３が用いられておりＳ軸撮像開始位置告知信号の周期は１２５μｓである。ポリゴンミラー１面の走査可能なＳ軸方向走査幅（１ライン撮像幅）は３０ｍｍで、その中を１５００ポイント、即ち２０μmの分解能で撮像が行われ、その反射光は受光素子６に入力後センサ回路１７で増幅、Ａ／Ｄ変換等が行われ画像バッファ部１８に一時的に保存される。
さらに、被検査物７の載置テーブル１３は撮像実行中、一定速度（分解能２０μｍ／1ライン撮像の周期）で所定の長さだけＹ軸方向に移動することで短冊状画像データが得られ、１つの短冊状画像を撮像し終えるとＸ軸方向駆動部１９が、センサ部１をＹ軸方向に対して略直角方向のＸ軸方向に３０ｍｍ移動させセンサ部は再び撮像を開始する。この動作を被検査物７全体が撮像できるまで繰り返し行い画像合成部２０において短冊状画像の貼り合わせを行う。しかし、各短冊状画像は図６に示す通り撮像開始希望位置に対して前記時間差３３に起因する１画素未満のズレを有しており、前記画素ズレを無視した状態で短冊状画像を貼り合わせると検査画像は図７のようにＳ軸方向の連続性が損なわれたものとなってしまう。ただし、撮像開始希望位置到達信号は各短冊状画像毎に１回入力され、Ｓ軸撮像開始位置告知信号は１ライン撮像毎に入力される互いに非同期なタイミング信号であるため１画素未満のズレは各短冊状画像毎に有する固有のズレ量である。

なお、ポリゴンミラー３がＳ軸撮像開始可能位置に到達する度にＳ軸位置検知部１６によってＳ軸撮像開始位置告知信号Ｓ１を生成する代わりに、レーザの走査位置を検出する受光素子を別に設けることでＳ軸撮像開始位置告知信号Ｓ１を生成し、撮像制御部１２に出力することも可能である。

また本装置では、前記被検査物７の載置テーブル１３を所定の長さだけＹ軸方向に移動させ短冊状画像データの取得を行い、さらにセンサ部１をＸ軸方向に移動させることで被検査物７全体の撮像を行うがその代わりに、センサ部１をＹ軸方向に所定の長さだけ移動させ短冊状画像データの取得を行い、さらに被検査物７の載置テーブル１３をＸ軸方向に移動させることで被検査物７全体の撮像を実現することも可能である。

続いて補正を実施するに伴い必要となるパラメータについて短冊状画像の撮像開始タイミングを示した図８にて説明を行う。被検査物に対して１番初めの撮像で得られた短冊状画像を基準短冊状画像と呼ぶものとし、図８のＳ軸撮像開始位置告知信号Ａをトリガとして撮像が開始されたものとする。同様に以降2番目、3番目の短冊状画像撮像開始トリガをＳ軸撮像開始位置告知信号Ｂ、Ｃとする。

時間差測定部２１は、撮像開始希望位置到達信号入力後、最初に入力される基準短冊状画像のＳ軸撮像開始位置告知信号Ａまでの時間差Ｔ１について測定する。即ち、撮像開始時の最初に得られる所定のＹ軸方向の長さに対応する短冊状画像を基準短冊状画像とする。以降順次得られる短冊状画像に対して、同様に、撮像が行われる各短冊状画像の撮像開始希望位置到達信号とＳ軸撮像開始位置告知信号Ｂ、Ｃとの時間差Ｔ２、Ｔ３の測定をそれぞれ行う。位置ズレ量演算部２２は前記時間差Ｔ２、Ｔ３より前記基準短冊状画像の時間差Ｔ１を減算することでΔＴ２、ΔＴ３をはじめとするＳ軸撮像開始位置告知信号時間差ΔＴ（秒）を得る。またポリゴンミラー回転数ｋ（ｒｐｍ）とすると、ポリゴンミラーが１回転に要する時間は（６０／ｋ）（秒）であり、面数ｎ（面）のポリゴンミラー１面当たりが一度に行うことのできるレーザ偏向時間は（６０／ｋｎ）（秒）で表すことができる。さらにポリゴンミラー１面がレーザを偏向する周期は図３，図４からも解るようにＳ軸撮像開始位置告知信号１周期に等しいことより、Ｓ軸撮像開始位置告知信号の周期とＳ軸撮像開始位置告知信号時間差ΔＴ（秒）との比をもって短冊状画像毎のズレ率を定義すると、ズレ率θ（％）は、
θ（％）＝（ΔＴ／（６０／ｋｎ））×１００＝５ｋｎΔＴ／３・・・（１）
で求めることができる。

なお、ズレ率を得るための手段として図８を用いて上記に示した撮像開始希望位置到達信号とＳ軸撮像開始位置告知信号の時間差の関係より導出する方法の他に、ＣＰＵ１１から撮像開始の指示が出されるとＳ軸撮像開始可能位置に到達する度に時間差測定部２１はＳ軸撮像開始位置告知信号の入力でトリガ待ち状態になり、その後始めに時間差測定部２１に入力する撮像開始希望位置到達信号から、撮像開始希望位置到達信号とＳ軸撮像開始位置告知信号の時間差を得ることでズレ率の演算を行う方法がある。後者の方法について以下に説明を行う。時間差測定部２１では図９に示した基準短冊状画像のＳ軸撮像開始位置告知信号ａ入力後、最初に入力される撮像開始希望位置到達信号までの時間差ｔ１と以降同様にＳ軸撮像開始位置告知信号ｂ、ｃと撮像開始希望位置到達信号との時間差ｔ２、ｔ３の測定をそれぞれ行い、位置ズレ量演算部２２にてｔ２、ｔ３より前記基準短冊状画像の時間差ｔ１を減算することでＳ軸撮像開始位置告知信号時間差Δｔを導出し、前記計算式（１）におけるΔＴにΔｔを代入することでズレ率を求めることが可能である。また、図９の場合においても１ライン撮像の開始については図８の場合同様に、撮像制御部１２が撮像開始希望位置到達信号の入力でトリガ待ち状態となりＳ軸撮像開始位置告知信号の入力で開始されるものである。

なお、本装置にポリゴンミラー以外の鏡面が用いられる場合、時間差測定部２１は前述のポリゴンミラーを用いた場合同様に撮像開始希望位置到達信号と、Ｓ軸撮像開始位置告知信号より基準短冊状画像の時間差Ｔ１及び、時間差Ｔ２、Ｔ３の測定をそれぞれ行い、位置ズレ量演算部２２にて時間差Ｔ２、Ｔ３より基準短冊状画像の時間差Ｔ１を減算することでΔＴ２、ΔＴ３をはじめとするＳ軸撮像開始位置告知信号時間差ΔＴ（秒）を算出
する。また、Ｓ軸撮像開始位置に光ビームが到達する周期をｒ（秒）とすると即ち、ｒ（秒）は一度に行うことのできるレーザ偏向時間でもあることより、Ｓ軸撮像開始位置告知信号時間差ΔＴ（秒）を用いてズレ率σ（％）は、
σ（％）＝（ΔＴ／ｒ）×１００・・・（２）
で求めることができる。

ズレ補正部２３は、画像バッファ部１８に一時的に保存された短冊状画像の画素を読み出しながら、下記の式に基づき基準短冊状画像を除くすべての短冊状画像について１画素毎に補正を行う。ただし、同一短冊状画像に属するすべての画素は図７で示した通りズレ率が等しいため、Ｓ軸撮像開始位置告知信号時間差ΔＴの正負の判別は、位置ズレ量演算
部２２にてＳ軸撮像開始位置告知信号時間差ΔＴの演算を行う際、各短冊状画像毎に行え
ばよい。また、基準短冊状画像については撮像生データが画像バッファ部１８から画像合成部２０に直接出力される。

画素ごとに行う補正を以下に示す。以下の式におけるアルファベット小文字は、補正前（撮像生データ）の画素を、大文字は、補正後の画素を表し、各短冊状画像に対しては図１０に示すように座標を与えるものとする。また、ズレ率は前記計算式（１）の演算結果よりβ（％）有しているものとする。
（Ａ）ΔＴが正のとき
（基準短冊状画像のＳ軸撮像開始位置告知信号が補正される短冊状画像のＳ軸撮像開始位置告知信号に対して進んでいるとき、図８のＡとＢの関係の場合）
Ｎ（ｓ，ｙ＋１）＝ｎ（ｓ，ｙ）×β／１００＋ｎ（ｓ，ｙ＋１）×（１００−β）／１００
（Ｂ）ΔＴが負のとき
（基準短冊状画像のＳ軸撮像開始位置告知信号が補正される短冊状画像のＳ軸撮像開始位置告知信号に対して遅れているとき、図８のＡとＣの関係の場合）
Ｎ（ｓ，ｙ＋１）＝ｎ（ｓ，ｙ＋１）×（１００＋β）／１００−ｎ（ｓ，ｙ＋２）×β／１００
前記補正においてｙ＝０の座標に存在する画素は、補正調整用の画素であり補正後の短冊状画像におけるＳ軸方向の連続性は保障されない。そのため被検査物７の撮像開始希望位置のＹ座標は、検査画像として必要な範囲に対し少なくとも1ライン撮像分の画素を余分に設定しておかなければならない。また、同様の処理はｙ軸方向の１ライン撮像における最終行においても行わなければならない。したがって、短冊状画像の上下端にはそれぞれ1ライン撮像分以上の補正調整用の画像を撮像する必要がある。
ズレ補正部２３における前記補正は撮像中の短冊状画像より前に撮像された短冊状画像、即ち、画像バッファ部１８に記憶されている画像データを対象に行う。

前記補正短冊状画像は画像合成部２０にて補正調整用の画素を検査画像より削除した上で貼り合わせられる。ただし、短冊状画像の貼り合わせは補正が行われている短冊状画像より前に撮像された短冊状画像について行われる。撮像、補正、貼り合わせは連動してそれぞれが同時に行われることで撮像検査タクトに対する悪影響が最小限になるよう配慮がなされている。

本発明により、撮像開始希望位置到達信号とＳ軸撮像開始位置告知信号が非同期であることが原因で生じる被検査物の撮像開始希望位置に対する実際の撮像開始位置ズレ問題を、従来用いられてきた装置と同等の装置にて解決できることより、安価でかつ容易に検査画像画素ズレ補正の実現が可能となる。これにより高精度な検査画像を得ること、高精度な検査を実施することが実現し、高密度化が進むプリント基板に対処する必要のある基板外観検査装置の性能をより充実させることが可能な検査画像撮像装置の提供が行える。

本発明にかかる検査画像撮像装置は、複数の短冊状画像を貼り合わせて１つの検査画像を生成するプリント基板外観基板検査装置等において、被検査物の撮像が非同期に出力される２種類の信号の相互関係によって開始されることが原因で生じる画素ズレ補正を行う手段として有用である。

本発明の実施例１における検査画像撮像装置の光学系の構成を示す図 本発明の実施例１における検査画像撮像装置の全体の構成を示す図 検査画像撮像装置におけるポリゴンミラーの面とＳ軸位置検知部出力との関係を表す図 検査画像撮像装置におけるポリゴンミラーの面とＳ軸撮像開始位置告知信号との関係を表す図 本発明の実施例１における検査画像撮像装置の撮像開始を決定する２つの非同期なタイミング信号を示す図 本発明の実施例１における検査画像撮像装置の短冊状画像毎の被検査物に対する撮像位置を表す図 検査画像撮像装置従来の方法にて短冊状画像を貼り合わせた場合の画素ズレを示す図 本発明の実施例１における検査画像撮像装置のズレ率の算出に必要な時間差を導くための撮像開始タイミング信号を示す図 本発明の実施例１における検査画像撮像装置のズレ率の算出に必要な時間差を図８と別の方法で導くための撮像開始タイミング信号を示す図 本発明の実施例１における検査画像撮像装置の短冊状画像の各画素を座標で示した図

符号の説明

２ 光源（レーザ光源）
３ 鏡面（ポリゴンミラー）
６ 受光素子
１０ Ｙ軸位置検知部
１２ 撮像制御部
１４ Ｙ軸方向駆動部
１５ 鏡面駆動部
１６ Ｓ軸位置検知部
１８ 画像バッファ部
１９ Ｘ軸方向駆動部
２１ 時間差測定部
２２ 位置ズレ量演算部
２３ ズレ補正部
２４ 画像合成部

Claims (5)

1. 鏡面により光ビームを偏向し被検査物に対しＸ軸方向と略一致するＳ軸方向に前記偏向された光ビームを走査して該被検査物からの反射光を受光素子にて受光するセンサ部と、
   前記センサ部をＸ軸方向に駆動するＸ軸方向駆動部と、
   前記被検査物をＳ軸方向に略直角なＹ軸方向に駆動させるＹ軸方向駆動部と、
   前記鏡面により偏向された光ビーム走査開始位置のＹ軸方向位置と被検査物の撮像開始希望位置のＹ座標が一致したときに撮像開始希望位置到達信号を生成するＹ軸位置検知部と、前記光ビームがＳ軸撮像開始位置に到達したことを検知するとＳ軸撮像開始位置告知信号を出力するＳ軸位置検知部と、
   Ｓ軸方向の１ライン撮像を順次行うことで得られるＹ軸方向の所定の長さの短冊状画像データを一時的に記憶する画像バッファ部と、
   前記撮像開始希望位置到達信号と前記Ｓ軸撮像開始位置告知信号との時間差を測定する時間差測定部と、
   を備え、
   前記測定された時間差に基づいて前記短冊状画像データごとに位置ズレ率を算出し、当該位置ズレ率に対応して前記画像バッファ部からの画像データを補正することを特徴とする検査画像撮像装置。
2. 前記鏡面は、ポリゴンミラーであって、該ポリゴンミラーを一定速度で回転して前記被検査物を走査することを特徴とする請求項１に記載の検査画像撮像装置。
3. 前記時間差測定部は、前記撮像開始希望位置到達信号入力後最初に得られる基準となる前記短冊状画像データの開始位置に対応する前記Ｓ軸撮像開始位置告知信号までの時間差Ｔ１を測定し、その後、順次得られる短冊状画像データの開始時に相当するＳ軸撮像開始位置告知信号と前記撮像開始希望位置到達信号との時間差をＴｉとし、該Ｔ１と該Ｔｉの時間差を測定し、該時間差に応じて前記位置ズレ率が算出されることを特徴とした請求項１或いは請求項２に記載の検査画像撮像装置。
4. 前記時間差測定部は、基準となる前記短冊状画像データの前記Ｓ軸撮像開始位置告知信号入力後最初に得られる前記撮像開始希望位置到達信号入力までの時間差ｔ１を測定し、その後、順次得られる短冊状画像データのＳ軸撮像開始位置告知信号と前記撮像開始希望位置到達信号との時間差をｔｉとし、該ｔ１と該ｔｉの時間差を測定し、該時間差に応じて前記位置ズレ率が算出されることを特徴とした請求項１或いは請求項２に記載の検査画像撮像装置。
5. 前記位置ズレ率θ（％）は、前記撮像開始希望位置到達信号とＳ軸撮像開始位置告知信号との時間差をΔＴ、ポリゴンミラーの回転数をｋ（ｒｐｍ）、ポリゴンミラーの面数をｎとして、θ（％）＝（ΔＴ／（６０／ｋｎ））×１００として算出することを特徴とする
   請求項２に記載の検査画像撮像装置。

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