JP5541646B2

JP5541646B2 - ライン照明装置

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Publication number: JP5541646B2
Application number: JP2010007520A
Authority: JP
Inventors: 健史新井; 有以三宅; 勝好内藤; 幸雄鴻巣
Original assignee: Djtech
Current assignee: Djtech
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: JP2011145229A

Description

本発明は、光をライン状に照射するライン照明装置に関する。

例えば、特許文献１には、エリアカメラ、リング状多段照明装置、スリット光照明装置、及び画像処理装置を有した検査装置により、基板に印刷された半田の２次元あるいは３次元の検査が可能であることが開示されている。しかしながら、３次元検査がスリット光を照射しながら検査対象を連続スキャンすることで撮像する方式であるのに対し、２次元検査は多段リング照明を照射、静止した状態の検査対象を撮像するという方式であり、その動作が異なることから同時実行は困難であった。そのため、共用光学系構成を採用しても３次元検査と２次元検査は個別に実施せざるを得ず、２次元検査と３次元検査の両方を実施する場合、検査対象である基板を２回検査しなければならないという検査時間面での問題点を抱えていた。

これに対し、特許文献２には、リング状多段照明装置の代わりにライン照明装置を備えた検査装置により、基板に印刷された半田の２次元と３次元の検査が可能であることが開示されている。これによれば、３次元検査用の撮像領域はそのままにして、新たに２次元検査用のライン撮像領域を設ければ、検査対象に対する１回の撮像走査で、３次元検査用の画像と２次元検査用の画像が同時に撮像できることになる。よって、１枚の基板に対して行っていた３次元検査と２次元検査という２回の動作が１回になり、検査に要する時間を著しく短縮することができる。

特開２００４−３１７１７６号公報特願２００９−２４４９９２号

上述した特許文献２に記載の印刷半田検査装置のライン照明装置では、１つの光源に対して１つの集光光学系を必要とするため、複数の光源、例えば、青色、赤色、緑色等の波長の異なる光源を取り扱う場合には各光源に対して集光光学系を備える必要があり、コスト高となる傾向にある。また、ライン光の照射角度と照射ピッチの関係上、ライン照明装置の筺体同士が干渉して印刷半田検査装置に配設できない場合がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、複数のライン光を照射する低コストで小型なライン照明装置を提供することにある。

上記目的達成のため、本発明のライン照明装置では、同一基板上に色別にそれぞれ複数個一列に配置された光源と、複数個の前記光源から照射される色別の光をそれぞれライン状に結像する単一の集光光学系もしくは光軸方向に配列された複合の集光光学系と、を備えたことを特徴としている。

また、上記目的達成のため、本発明のライン照明装置では、複数個の前記光源は、色別に等間隔もしくは規則性を有する間隔で配置されていることを特徴としている。

また、上記目的達成のため、本発明のライン照明装置では、複数個の前記光源と前記集光光学系との距離が色別に可変に構成されていることを特徴としている。

また、上記目的達成のため、本発明のライン照明装置では、複数個の前記光源の発光面積が色別に可変に構成されていることを特徴としている。

また、上記目的達成のため、本発明のライン照明装置では、複数列の前記光源の色が同一色であることを特徴としている。

本発明のライン照明装置によれば、多種類の光源の光を、１つの集光光学系のみにより集光することができるので、多種類の集光光学系を設計・製作する必要がなく部品点数を減少させて低コスト化を図ることができる。また、ライン照明装置の筺体は１つとなるため、従来のライン照明装置のように２つの筐体同士が干渉することはなく、例えば印刷半田検査装置にコンパクトに配設することができる。

また、複数個の光源を一列に等間隔もしくは規則性を有する間隔で配置することができるので、ライン光の強度を一定もしくは特定の分布に制御することができる。また、一列の光源と別の一列の光源を所定の間隔で配置することができるので、ライン光のラインピッチを制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るライン照明装置を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るライン照明装置を示す図である。図２のライン照明装置の使用方法を説明するための図である。本発明の第３の実施の形態に係るライン照明装置を示す図である。図１のライン照明装置を用いた印刷半田検査装置の全体構成を示す斜視図である。図５の撮像素子の撮像領域を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るライン照明装置を示す図である。このライン照明装置９Ａは、第１の色の光を発光する複数個の第１ＬＥＤ素子（光源）９１と、第２の色の光を発光する複数個の第２ＬＥＤ素子（光源）９２と、単一の集光レンズ（集光光学系）９３と、１つの基板９４とを備えており、これらが筐体９５に内蔵されている。

第１ＬＥＤ素子９１が発光する第１の色としては、例えば、青色、赤色、緑色のうちの一色であり、第２ＬＥＤ素子９２が発光する第２の色としては、青色、赤色、緑色のうちの第１の色以外の色である。複数個の第１ＬＥＤ素子９１は、基板９４上に図面奥に向かって一列に等間隔もしくは規則性を有する間隔で実装されている。複数個の第２ＬＥＤ素子９２も、該基板９４上に図面奥に向かって一列に等間隔もしくは規則性を有する間隔で配置されている。そして、一列の第１ＬＥＤ素子９１と一列の第２ＬＥＤ素子９２は、所定の間隔で実装されている。

集光レンズ９３は、例えば、非線形の曲面を有するシリンドリカルレンズであり、一列に並んだ複数個の第１ＬＥＤ素子９１から照射される光Ｌ１を屈折して透過し、照射面Ｐに集光してライン光ＬＬ１として結像すると共に、一列に並んだ複数個の第２ＬＥＤ素子９２から照射される光Ｌ２を屈折して透過し、照射面Ｐに集光してライン光ＬＬ２として結像する。なお、集光レンズ９３のレンズ口径を拡大することにより、照度効率を上昇させることができる。また、集光レンズ９３の倍率と、一列の第１ＬＥＤ素子９１と一列の第２ＬＥＤ素子９２の実装ピッチとを調整することにより、ライン光ＬＬ１，ＬＬ２のラインピッチを操作することができる。

このような構成のライン照明装置９Ａによれば、２種類の第１、第２ＬＥＤ素子９１，９２の光を、１つの集光レンズ９３のみにより集光することができるので、２種類の集光レンズを設計・製作する必要がなく部品点数を減少させて低コスト化を図ることができる。また、同一基板９４上に色別にそれぞれ複数個一列に第１、第２ＬＥＤ素子９１，９２を配置することができるので、実装密度を向上させてライン照明装置９Ａを小型化することができる。また、ライン照明装置９Ａの筺体９５は１つとなるため、従来のライン照明装置のように２つの筐体同士が干渉することはなく、例えば印刷半田検査装置にコンパクトに配設することができる。

また、複数個の第１ＬＥＤ素子９１及び第２ＬＥＤ素子９２を、基板９４上に一列に等間隔もしくは規則性を有する間隔で配置することができるので、ライン光ＬＬ１，ＬＬ２の強度を一定もしくは特定の分布に制御することができる。また、一列の第１ＬＥＤ素子９１と一列の第２ＬＥＤ素子９２を、所定の間隔で配置することができるので、ライン光ＬＬ１，ＬＬ２のラインピッチを制御することができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係るライン照明装置を図１に対応させて示す図であり、同一構成部は同一番号を付してその説明を省略する。このライン照明装置９Ｂは、複数個の第１ＬＥＤ素子９１が基板９４１上に実装され、複数個の第２ＬＥＤ素子９２が別の基板９４２上に実装されている。そして、各基板９４１，９４２を第１、第２ＬＥＤ素子９１，９２の光軸方向に移動させる移動手段９６１，９６２を備えている。移動手段９６１，９６２は、手動もしくは図略のモータ及びボールネジ等を備えた機構により自動で各基板９４１，９４２を移動させるようにする。

このような構成のライン照明装置９Ｂによれば、移動手段９６１，９６２により複数個の第１ＬＥＤ素子９１と集光レンズ９３との距離及び複数個の第２ＬＥＤ素子９２と集光レンズ９３との距離を夫々可変させることができるので、ライン光ＬＬ１，ＬＬ２のライン幅や結像位置を変更することができる。

例えば、図３に示すように、ライン照明装置９Ｂを印刷半田検査装置１に傾斜させて配設した場合には、検査対象基板１００に印刷されているクリーム半田（以下、印刷半田という）１１０に照射される第１ＬＥＤ素子９１の光Ｌ１と第２ＬＥＤ素子９２の光Ｌ２との間には光路差ｄが生じて印刷半田１１０の像のピントが惚けると共にライン光ＬＬ１，ＬＬ２の光量低下やコントラスト低下が生じるおそれがある。

しかし、移動手段９６１，９６２により第１ＬＥＤ素子９１と第２ＬＥＤ素子９２とを距離ｄ分ずらしておくことにより上記光路差ｄを解消して印刷半田１１０の像のピントを正確に合わせることができると共にライン光ＬＬ１，ＬＬ２の光量低下やコントラスト低下を防止することができる。更に、ライン光ＬＬ１，ＬＬ２のライン幅を細く照射することができ、光量を増加させることができるので、印刷半田検査装置１に備えられているスリット光照明装置によるレーザ光のライン幅や光量に合わせることができる。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係るライン照明装置を図１に対応させて示す図であり、同一構成部は同一番号を付してその説明を省略する。このライン照明装置９Ｃは、複数個の第１、第２ＬＥＤ素子９１，９２から照射される光を絞る絞り手段９７１，９７２を備えている。絞り手段９７１，９７２は、手動もしくは図略のモータ及び減速ギヤ等を備えた機構により自動で絞るようにする。

このような構成のライン照明装置９Ｂによれば、絞り手段９７１，９７２により複数個の第１ＬＥＤ素子９１の発光面積及び複数個の第２ＬＥＤ素子９２の発光面積を夫々可変させることができるので、ライン光ＬＬ１，ＬＬ２のライン幅を変更することができ、強度分布を変更することができる。

なお、上述した各実施形態では、２色の複数のＬＥＤ素子９１，９２を２列配置したライン照明装置９，９Ａ，９Ｂとしたが、３色以上の複数のＬＥＤ素子を３列以上配置し、もしくは同一色の複数のＬＥＤ素子を２列以上配置したライン照明装置としてもよい。また、光源としてＬＥＤ素子９１，９２を用いたが、ランプ等を用いてもよい。また、集光光学系として単一の集光レンズ９３を用いたが、光軸方向に配列された複合の集光レンズを用いてもよい。また、移動手段９６１，９６２及び絞り手段９７１，９７２を備えたライン照明装置としてもよい。

図５は、第１の実施形態のライン照明装置９Ａを用いた印刷半田検査装置の全体構成を示す斜視図である。この印刷半田検査装置１は、検査対象基板１００に印刷されている印刷半田の２次元測定及び３次元測定を行って該印刷半田を検査する機能を備えている。印刷半田検査装置１は、照明装置２、撮像装置３、制御装置４、テーブル５等を備えている。

照明装置２は、２つの３次元用ライン照明投光器１０ａ，１０ｂ及び４つの２次元用ライン照明投光器２０，３０，４０，５０を備えている。この２次元用ライン照明投光器２０，３０，４０，５０が第１の実施形態のライン照明装置９Ａであり、詳細は後述する。撮像装置３は、白黒画像を撮像するカメラ６１とレンズ６０を備えている。カメラ６１は、ＣＭＯＳセンサの撮像素子６２を備えている。制御装置４は、画像処理制御部７０を備えている。

画像処理制御部７０は、３次元用ライン照明投光器１０ａ用の３次元撮像領域用画像メモリ７１ａ、３次元用ライン照明投光器１０ｂ用の３次元撮像領域用画像メモリ７１ｂ、２次元用ライン照明投光器２０用の２次元撮像領域用画像メモリ７２、２次元用ライン照明投光器３０用の２次元撮像領域用画像メモリ７３、２次元用ライン照明投光器４０用の２次元撮像領域用画像メモリ７４、２次元用ライン照明投光器５０用の２次元撮像領域用画像メモリ７５を備えている。テーブル５は、Ｘ軸テーブル８０、Ｘ軸用モータ８１、Ｙ軸テーブル８２、Ｙ軸用モータ８３を備えている。

２次元用ライン照明投光器２０，３０は、カメラ６１とレンズ６０により構成される光学系を挟むような形で照射角度が６５度となるように対称配置されている。２次元用ライン照明投光器２０，３０は、赤色の第１ＬＥＤ素子２０ａ，３０ａ及び緑色の第２ＬＥＤ素子２０ｂ，３０ｂを備えている。２次元用ライン照明投光器４０，５０は、カメラ６１とレンズ６０により構成される光学系を挟むような形で照射角度が３０度となるように対称配置されている。２次元用ライン照明投光器４０，５０は、青色の第１ＬＥＤ素子４０ａ，５０ａ及び赤色の第２ＬＥＤ素子４０ｂ，５０ｂを備えている。

第１ＬＥＤ素子２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａの２次元用ライン照明光２１ａ，３１ａ，４１ａ，５１ａ及び第２ＬＥＤ素子２０ｂ，３０ｂ，４０ｂ，５０ｂの２次元用ライン照明光２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ，５１ｂが、それぞれ上方向から斜め下方向に投光することで、基板１００上に２次元用ライン照明光跡２１，３１，４１，５１が生じる。

以上の２次元用ライン照明光跡２１，３１，４１，５１のライン幅（線幅）は、検査対象基板１００が多少上下しても撮像したい線上を照明し続けることができるよう比較的大きなライン幅を持つ必要がある。検査対象基板１００の許容上下幅によるが、具体的には１〜２ｍｍ程度のライン幅となるよう設定する。このように第１の実施形態のライン照明装置９Ａを適用した２次元用ライン照明投光器２０，３０，４０，５０を用いているので、２次元用ライン照明光２１ｂ，３１ｂの照射角度及び２次元用ライン照明光４１ｂ，５１ｂの照射角度を同一にすることができ、検査対象基板１００に印刷されている印刷半田の視認性を高めることができる。また、撮像視野内に２次元用ライン照明光跡２１，３１，４１，５１を全て収めることができ、検査対象基板１００に印刷されている印刷半田の検査精度を向上させることができる。

３次元用ライン照明投光器１０ａ，１０ｂは、カメラ６１とレンズ６０により構成される光学系を挟むような形で配置され、それぞれが上方向から斜め下方向に投光することで、３次元用ライン照明光１１ａ，１１ｂが発生し、検査対象基板１００上に３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂが生じる。３次元用ライン照明投光器１０ａ，１０ｂには、検査対象基板１００の色相に応じて赤色系の光源、あるいは青色系・緑色系の光源を採用する。

以上の３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂのライン幅（線幅）は、検査対象基板１００の表面に形成された高さ１００μｍ程度の印刷半田（図示せず）をμｍオーダで測定する関係から、基板表面の凹凸によって生じる３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂの直線の変形度合いが測定しやすいよう比較的細いライン幅である０．１ｍｍ程度に設定される。

検査対象基板１００上に生じた２次元用ライン照明光跡２１，３１，４１，５１及び３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂを、レンズ６０を通してカメラ６１の撮像素子６２上に投影する。撮像素子６２は、図６に示すように、撮像領域を任意に設定することができ、２次元用ライン照明光跡２１，３１，４１，５１を撮像するための２次元用撮像領域５３，５４，５５，５６及び３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂを撮像するための３次元用撮像領域５２ａ，５２ｂの５つの領域が設定されている。２次元用撮像領域５３，５４，５５，５６は、その撮像幅が１画素であり、ラインセンサカメラと同等と見なすことができる。３次元用撮像領域５２ａ，５２ｂは、その撮像幅が最大測定高さを規定することになるので比較的大きな値が設定され、通常４０〜５０画素程度ある。

以上の光学系・照明系構成で、Ｘ軸モータ８０を一定ピッチ動かしカメラ６１で画像を撮像、さらにＸ軸モータ８０を一定ピッチ動かしカメラ６１で画像を撮像、という動作を繰り返していく。ここで、一定ピッチには、撮像素子６２の１画素に投影される寸法と同じ数値を採用するのが一般的である。以上の動作の間、２次元用撮像領域５３からのライン単位の出力を２次元撮像領域用画像メモリ７２に蓄積していくことで面画像を得ることができる。

同様に、２次元用撮像領域５４のライン単位出力から２次元撮像領域用画像メモリ７３の面画像が、２次元用撮像領域５５のライン単位出力から２次元撮像領域用画像メモリ７４の面画像が、２次元用撮像領域５６のライン単位出力から２次元撮像領域用画像メモリ７５の面画像が生成される。合わせて、３次元用撮像領域５２ａからの短冊形の面画像出力を３次元撮像領域用画像メモリ７１ａに、３次元用撮像領域５２ｂからの短冊形の面画像出力を３次元撮像領域用画像メモリ７１ｂに蓄積していく。

２次元撮像領域用画像メモリ７２の面画像は、比較的高い位置から赤色系の照明で撮像した画像になり、２次元撮像領域用画像メモリ７３の面画像は、比較的高い位置から緑色系の照明で撮像した画像になり、２次元撮像領域用画像メモリ７４の面画像は、比較的低い位置から青色系の照明で撮像した画像になり、２次元撮像領域用画像メモリ７５の面画像は、比較的低い位置から赤色系の照明で撮像した画像になる。

２次元撮像領域用画像メモリ７２の面画像は縁色系基板から金あるいは銅パッドを抽出するのに適した画像であり、２次元撮像領域用画像メモリ７３の面画像は赤色〜榿色系基板から金あるいは銅パッドを抽出するのに適した画像であり、２次元撮像領域用画像メモリ７４の面画像は金あるいは銅パッド上に印刷された印刷半田を抽出するのに適した画像であり、２次元撮像領域用画像メモリ７５の面画像は赤色〜榿色系基板から金あるいは銅パッドを抽出するのに適した画像である。これら４枚の面画像から２次元印刷半田検査を実施することができる。

すなわち、特開２００３−２２４３５３号公報に記載のように、表面色が赤茶色系の基板に緑色光を照射した場合、緑色光が補色となるとともに印刷半田の粒子によって緑色光が乱反射し、パッド以外の反射光が微量になる。よって、緑色光点灯時の明暗度が高い部分がパッド、明暗度が低い部分がパッド以外の基板表面となり、パッドを認識することができる。一方、印刷半田に青色光を低位置から照射した場合、印刷半田の粒子に乱反射されてその照射光の一部がカメラに入射するのに対し、印刷半田以外の部分は比較的鏡面のため、その照射光のほとんどは入射方向と正反対の方向に反射されカメラに入射しない。よって相対的に印刷半田が高輝度となり印刷半田を認識することができる。

また、短冊形面画像が多数集積した３次元撮像領域用画像メモリ７１ａ，７１ｂから、測定対象面の凹凸状態を再現することができ、よって３次元印刷半田検査を実施することができる。

すなわち、特開２００５−２０７９１８号公報に記載のように、印刷半田上の３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂと検査対象基板１００上の３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂは、印刷半田の高さ分だけ位置がずれたように撮像される。３次元用ライン照明光１１ａ，１１ｂの検査対象基板１００の上面からの取り付け角度をθとすると、印刷半田のずれ量にｔａｎθを掛けることで印刷半田の高さを測定することができる。さらに、３次元用ライン照明光跡１２ａ，１２ｂの長さ方向に直交する方向も同様に求めることで、印刷半田の体積を測定することができる。

なお、本発明のライン照明装置は、印刷半田検査装置に適用される場合に限定されるものではなく、照明機能を有する装置であれば適用可能である。

１印刷半田検査装置、２照明装置、３撮像装置、４制御装置、５テーブル、９Ａ，９Ｂ，９Ｃライン照明装置、１０ａ，１０ｂ３次元用ライン照明投光器、２０，３０，４０，５０２次元用ライン照明投光器、２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ，９１第１ＬＥＤ素子、２０ｂ，３０ｂ，４０ｂ，５０ｂ，９２第２ＬＥＤ素子、２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ，５１ａ，５１ｂ２次元用ライン照明光、２１，３１，４１，５１２次元用ライン照明光跡、１１ａ，１１ｂ３次元用ライン照明光、１２ａ，１２ｂ３次元用ライン照明光跡、６０レンズ、６１カメラ、７０画像処理制御部、７１ａ，７１ｂ３次元撮像領域用画像メモリ、７２，７３，７４２次元撮像領域用画像メモリ、８０Ｘ軸テーブル、８１Ｘ軸用モータ、８２Ｙ軸テーブル、８３Ｙ軸用モータ、９３集光レンズ、９４，９４１，９４２基板、９５筐体、９６１，９６２移動手段、９７１，９７２絞り手段、１００検査対象基板、１１０印刷半田

Claims

色別にそれぞれ複数個一列に配置された光源と、
複数個の前記光源から照射される色別の光をそれぞれ別個にライン状に結像する１つの集光光学系であり、単一の集光レンズもしくは光軸方向に配列された複合の集光レンズからなる、集光光学系と、
複数個の前記光源を色別に、光軸方向に移動させ、複数個の前記光源と前記集光光学系との距離を色別に可変させる、移動手段と、を備えたことを特徴とするライン照明装置。
複数個の前記光源は、色別に等間隔もしくは規則性を有する間隔で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のライン照明装置。
複数個の前記光源の発光面積が色別に可変に構成されていることを特徴とする請求項１〜２の何れか一項に記載のライン照明装置。
色別に配置された光源と、
前記光源から照射される色別の光をそれぞれ別個に結像する１つの集光光学系と、
前記光源を色別に、光軸方向に移動させ、前記光源と前記集光光学系との距離を色別に可変させる移動手段と、を備えたことを特徴とする照明装置。