JP6110897B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト法を利用して三次元計測を行う三次元計測装置に関するものである。

一般に、プリント基板は、ガラスエポキシ樹脂からなるベース基板の上に電極パターンを具備し、表面がレジスト膜によって保護されている。かかるプリント基板上に電子部品を実装する場合、まず電極パターン上のレジスト膜による保護がされていない所定位置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。

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、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（Ｔ１）で与えられる。

Ｉ＝ｆ・sinφ＋ｅ ・・（Ｔ１）
但し、ｆ：ゲイン、ｅ：オフセット、φ：光パターンの位相。

ここで、上記格子を切換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（Ｔ２）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)] ・・（Ｔ２）
そして、この位相φを用いて、三角測量の原理に基づき被計測物上の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）が求められる。

ところが、プリント基板上のクリーム半田の印刷部分の周囲（以下、背景領域という）の色は様々である。これは、ガラスエポキシ樹脂やレジスト膜に種々の色が使用されるためである。そして、例えば黒色などの比較的暗い色の背景領域では、撮像手段により撮像された画像データのコントラストが小さくなってしまう。つまり、画像データ上、上記光パターンの明暗の差（輝度差）が小さくなってしまうのである。そのため、背景領域の高さ計測が困難となるおそれがある。本来であれば基板上に印刷されたクリーム半田の高さをより高精度で計測するためには、その基板内に高さ基準を採ることが望ましい。しかしながら、背景領域を高さ基準面として適正に利用できないため、その基板内に高さ基準を採ることができないといった不具合を生じるおそれがある。

これに鑑み、近年では、輝度が異なる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）。具体的には、第１の輝度の光パターンを照射して得られた画像データに基づき、プリント基板上の検査対象領域（半田領域）に係る三次元計測を行うと共に、第２の輝度の光パターンを照射して得られた画像データに基づき、プリント基板上の計測基準領域（背景領域）に係る三次元計測を行い、計測基準領域を高さ基準面として検査対象領域のクリーム半田の高さや体積が計測されることとなる。

特開２００６−３００５３９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従来の三次元計測装置においては、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、輝度の異なる２種類の光パターンを切換えて計測を行う場合には、まず第１輝度の第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、輝度を変えて、第２輝度の第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、各輝度の光パターンの下でそれぞれ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、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．所定の光を発する光源、及び、該光源からの光を縞状の光強度分布を有する光パターンに変換する格子を有し、該光パターンを少なくとも第１計測対象領域及び第２計測対象領域を有する被計測物に対し照射可能な照射手段と、
前記光源から発せられる光の輝度を変更可能な輝度制御手段と、
前記格子の移送又は切替を制御し、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、
前記第１計測対象領域に応じた第１輝度の第１光パターンを所定数通り（例えば３通り又は４通り）の位相で照射し撮像された所定数通りの画像データを基に、前記第１計測対象領域に係る三次元計測を行う第１計測手段と、
前記第１光パターンの下で撮像された前記所定数通りの画像データを基に、所定の撮像条件により定まるゲイン及びオフセットの関係を把握する関係把握手段と、
前記第２計測対象領域に応じた第２輝度の第２光パターンを２通りの位相で照射し撮像された２通りの画像データを基に、該２通りの画像データの各画素の輝度値から定まる該画素に係るゲイン又はオフセットの値と、前記関係把握手段により把握されたゲイン及びオフセットの関係とを利用して、前記第２計測対象領域に係る三次元計測を行う第２計測手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。

ここで「第１計測対象領域に応じた第１輝度」及び「第２計測対象領域に応じた第２輝度」は、前もって設定しておいても良いし、都度別途計測して求めても良い。また「第１計測対象領域に応じた第１輝度」が既知であれば、「第１計測対象領域に応じた第１輝度」を前もって設定しておき、「第１計測対象領域に応じた第１輝度」による画像データを基に「第２計測対象領域に応じた第２輝度」を求めても良い。

上述したとおり、従来では、第１計測対象領域（例えば半田領域など）の計測を目的として撮像を行った場合、その画像データ上における第２計測対象領域（例えば背景領域など）に関しては、輝度が高すぎたり低すぎたり或いは明暗の差（輝度差）が小さくなってしまうことがある。このような場合、第２計測対象領域に係る計測精度が著しく低下するおそれがある。

この点、上記手段１によれば、第１計測対象領域（例えば比較的明るい明部）に応じた第１輝度の第１光パターンを照射し撮像された画像データを基に該第１計測対象領域に係る三次元計測を行うと共に、第２計測対象領域（例えば比較的暗い暗部）に応じた第２輝度の第２光パターンを照射し撮像された画像データを基に該第２計測対象領域に係る三次元計測を行う構成となっている。これにより、第１計測対象領域及び第２計測対象領域の両者とも、輝度を変えて、それぞれ適正な輝度の光パターンの下で撮像した画像データに基づき三次元計測を行うことができる。結果として、計測精度の低下抑制を図ることができる。

さらに、本手段では、第１計測対象領域の計測を目的として撮像された所定数通りの画像データから、所定の撮像条件により定まるゲインＡ及びオフセットＢの関係〔例えばＡ＝Ｋ（比例定数）×Ｂ〕を把握する構成となっている。

所定の撮像条件により定まる光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係と、画像データ上の被計測座標（ｘ，ｙ）の輝度値Ｖ（ｘ，ｙ）から定まる、該被計測座標（ｘ，ｙ）に係る光パターンのゲインＡ（ｘ，ｙ）又はオフセットＢ（ｘ，ｙ）の値とを利用することにより、２通りに位相変化させた光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により被計測座標の三次元計測を行うことができる。

つまり、本手段では、第２計測対象領域に関して、少なくとも２通りに位相変化させた第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データを取得しさえすれば、位相シフト法による三次元計測が可能となる。

これにより、例えば第１輝度の第１光パターンを４通り（又は３通り）の位相で照射し、その下で４通り（又は３通り）の画像を撮像した後、第２輝度の第２光パターンを２通りの位相で照射し、その下で２通りの画像を撮像する場合には、撮像回数が計６回（又は計５回）となり、撮像時間が大幅に減少する。

従って、光パターンの輝度を変えて被計測物上の異なる領域をそれぞれ三次元計測す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、光源から照射された光は、まず格子を通過する際に減衰され、次に被計測物にて反射する際に減衰され、最後に撮像手段においてＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）される際に減衰された上で、画像データの各画素の輝度値として取得される。

従って、撮像手段により撮像された画像データの各画素の輝度値は、光源の輝度、光源から照射された光が格子を通過する際の減衰率、光が被計測物にて反射する際の反射率、撮像手段においてＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）される際の変換効率等を掛け合わせることにより表現することができる。

例えば、光源（均一光）の輝度：Ｌ
格子の透過率：Ｇ＝αsinθ＋β
α，βは任意の定数。

被計測物上の座標 (x,y)における反射率：Ｒ(x,y)
撮像手段（撮像素子）の各画素の変換効率：Ｅ
被計測物上の座標(x,y)に対応する画像上の画素の輝度値：Ｖ(x,y)
被計測物上の座標(x,y)における光パターンのゲイン：Ａ(x,y)
被計測物上の座標(x,y)における光パターンのオフセット：Ｂ(x,y)
とした場合には、下記式（Ｆ１）で表すことができる。

ここで、ゲインＡ(x,y)は、「sinθ＝1」の光による輝度値Ｖ(x,y)_MAXと、「sinθ＝−1」の光による輝度値Ｖ(x,y)_MINとの差から表すことができるので、
例えば、格子がθ＝０の時の透過率（＝平均透過率）：Ｇθ₌₀
格子がθ＝π／２の時の透過率（＝最大透過率）：Ｇθ₌π_/2
格子がθ＝−π／２の時の透過率（＝最小透過率）：Ｇθ_=-π_/2
とした場合には、下記式（Ｆ２）で表すことができる。

また、オフセットＢ(x,y)は、「sinθ＝0」の光における輝度値Ｖ(x,y)であって、「sinθ＝1」の光による輝度値Ｖ(x,y) _MAXと、「sinθ＝−1」の光による輝度値Ｖ(x,y) _MINとの平均値であるので、下記式（Ｆ３）で表すことができる。

つまり、輝度値の最大値Ｖ(x,y)_MAX、最小値Ｖ(x,y)_MIN、平均値Ｖ(x,y)_AVはそれぞれ下記式（Ｆ４）、（Ｆ５）、（Ｆ６）で表すことができ、図１１のグラフに示すような関係となる。

図１１から見てとれるように、所定の座標(x,y)における輝度値の最大値Ｖ(x,y)_MAXと輝度値の最少値Ｖ(x,y)_MINの平均値Ｖ(x,y)_AVがオフセットＢ(x,y)となり、該オフセットＢ(x,y)と最大値Ｖ(x,y)_MAXとの差、及び、該オフセットＢ(x,y)と最少値Ｖ(x,y)_MINとの差がそれぞれゲインＡ(x,y)となる。

また、輝度値Ｖ(x,y)は、光源の輝度Ｌ又は反射率Ｒ(x,y)に比例して変化するため、例えば反射率Ｒが半分となる座標位置では、ゲインＡやオフセットＢの値も半分となる。

次に上記式（Ｆ２）、（Ｆ３）を下記式（Ｆ２´）、（Ｆ３´）とした上で、両者を合わせて整理すると、下記式（Ｆ７）が導き出せる。

さらに、上記式（Ｆ７）をＡ(x,y)について解くと、下記式（Ｆ８）となり、図１２に示すグラフのように表すことができる。

つまり、光源の輝度Ｌ又は反射率Ｒ(x,y)の一方を固定して他方を変化させた場合には、オフセットＢ(x,y)が増減すると共に、該オフセットＢ(x,y)に比例してゲインＡ(x,y)も増減することとなる。かかる式（Ｆ８）により、ゲインＡ又はオフセットＢの一方が分かれば、他方を求めることができる。ここで、比例定数Ｋは、光源の輝度Ｌや反射率Ｒとは無関係に、格子の透過率Ｇにより定まる。つまり、下記の手段２，３のように換言することができる。

但し、光源の輝度Ｌを変更した場合（例えば第１輝度から第２輝度へ変更した場合）には、画像データ上の被計測座標（ｘ，ｙ）の輝度値Ｖ（ｘ，ｙ）、ひいては該被計測座標（ｘ，ｙ）に係る光パターンのゲインＡ（ｘ，ｙ）及びオフセットＢ（ｘ，ｙ）の値がそれぞれ異なる値となる一方、比例定数Ｋに関しては、光源の輝度Ｌには依存しないため、変化しない。つまり、同一の格子を用いて照射される第１光パターンと第２光パターンとでは、ゲインＡ及びオフセットＢの値がそれぞれ異なるが、比例定数Ｋに関しては全く変わらない。

尚、被計測物に対し、位相の異なる複数の光パターンをそれぞれ波長（ＲＧＢ成分）を異ならせて同時に照射する構成とすれば、一回の撮像で位相の異なる３通りの画像データを取得することが可能である。しかし、かかる構成においては、ＲＧＢ各成分の光パターンごとに、光源の輝度、被計測物での反射率、格子の透過率、撮像素子の変換効率などがそれぞれ異なるため、ＲＧＢ各成分の光パターンに係るゲインＡ及びオフセットＢの値もそれぞれ異なってくる。そのため、一回の撮像で得た３通りの画像データを基に位相シフト法により三次元計測を行う場合には、ＲＧＢ各成分の光パターンに係るゲインＡ及びオフセットＢの値が一致していると仮定した上で、それの誤差を無視して演算を行うこととなるため、計測精度が著しく低下するおそれがある。これに対し、本手段１によれば、位相の異なる複数通りの画像データを取得するにあたり、各画像データ間でゲインＡ及びオフセットＢの値に違いが生じないため、計測精度の低下抑制を図ることができる。

手段２．前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが相互に一義的に定まる関係であることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

ゲインＡとオフセットＢとが相互に一義的に定まる関係であれば、例えばゲインＡとオフセットＢとの関係を表した数表やテーブルデータを作成することにより、ゲインＡからオフセットＢ、或いは、オフセットＢからゲインＡを求めることが可能となる。

手段３．前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが比例関係であることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。

ゲインとオフセットとが比例関係であれば、例えばＡ＝Ｋ×Ｂ〔但し、Ｋ：比例定数〕のような関係式で表すことができ、ゲインＡからオフセットＢ、或いは、オフセットＢからゲインＡを求めることが可能となる。ひいては下記の手段４のような構成とすることができる。

手段４．前記２通りに位相変化させた第２光パターンの相対位相関係をそれぞれ０、γとしたときの前記２通りの画像データの各画素の輝度値をそれぞれＶ₀、Ｖ₁とした場合に、
前記第２計測手段は、前記第２計測対象領域に係る計測を行うに際し、
下記式（１）、（２）、（３）の関係を満たす位相θを算出す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。

Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（１）
Ｖ₁＝Ａsin（θ＋γ）＋Ｂ ・・・（２）
Ａ＝ＫＢ ・・・（３）
但し、γ≠０、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット、Ｋ：比例定数。

上記手段４によれば、上記式（３）を上記式（１）に代入することにより、下記式（４）を導き出すことができる。

Ｖ₀＝ＫＢsinθ＋Ｂ ・・・（４）
これをオフセットＢについて解くと、下記式（５）を導き出すことができる。

Ｂ＝Ｖ₀／（Ｋsinθ＋１） ・・・（５）
また、上記式（３）を上記式（２）に代入することにより、下記式（６）を導き出すことができる。

Ｖ₁＝ＫＢsin（θ＋γ）＋Ｂ ・・・（６）
上記式（６）を上記式（５）に代入し、下記［数７］に示すように整理していくと、下記式（７）を導き出すことができる。

ここで、「Ｖ₀cosγ−Ｖ₁＝ａ」、「Ｖ₀sinγ＝ｂ」、「（Ｖ₀−Ｖ₁）／Ｋ＝ｃ」と置くと、上記式（７）は下記式（８）のように表すことができる。

ａsinθ＋ｂcosθ＋ｃ＝０ ・・・（８）
ここで、下記［数８］に示すように、上記式（８）を位相θについて解いていくと、下記［数９］に示す下記式（９）を導き出すことができる。

従って、上記手段４における『下記式（１）、（２）、（３）の関係を満たす位相θを算出すること』とあるのは、『下記式（９）に基づき位相θを算出すること』と換言することができる。勿論、位相θを得るアルゴリズムは、上記式（９）に限定されるものではなく、上記式（１）、（２）、（３）の関係を満たすものであれば、他の構成を採用してもよい。

手段５．γ＝１８０°としたことを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。

上記手段５によれば、位相が１８０°異なる２通りの第２光パターンの下で２回の撮像を行うこととなる。

上記式（２）においてγ＝１８０°とすることで下記式（１０）が導き出される。

Ｖ₁＝Ａsin（θ＋１８０°）＋Ｂ
＝−Ａsinθ＋Ｂ ・・・（１０）
そして、上記式（１），（１０）から下記式（１１）を導き出すことができ、これをオフセットＢについて解くと、下記式（１２）を導き出すことができる。

Ｖ₀＋Ｖ₁＝２Ｂ ・・・（１１）
Ｂ＝（Ｖ₀＋Ｖ₁）／２ ・・・（１２）
さらに、上記式（１２）を上記式（３）に代入することにより、下記式（１３）を導き出すことができる。

Ａ＝ＫＢ
＝Ｋ（Ｖ₀＋Ｖ₁）／２ ・・・（１３）
また、上記式（１）を「sinθ」について整理すると、下記式（１´）のようになる。

sinθ＝（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ ・・・（１´）
そして、上記式（１´）に、上記式（１２），（１３）を代入することにより、下記式（１４）を導き出すことができる。

sinθ＝｛Ｖ₀−（Ｖ₀＋Ｖ₁）／２｝／｛Ｋ（Ｖ₀＋Ｖ₁）／２｝
＝（Ｖ₀−Ｖ₁）／Ｋ（Ｖ₀＋Ｖ₁） ・・・（１４）
ここで、上記式（１４）を位相θについて解くと、下記式（１５）を導き出すことができる。

θ＝sin^-1［（Ｖ₀−Ｖ₁）／Ｋ（Ｖ₀＋Ｖ₁）］ ・・・（１５）
つまり、位相θは、既知の輝度値Ｖ₀，Ｖ₁及び定数Ｋにより特定することができる。

このように、上記手段５によれば、比較的簡単な演算式に基づいて位相θを求めることができ、被計測物の三次元計測を行うに際し、さらなる処理の高速化が可能となる。

手段６．γ＝９０°としたことを特徴とする手段４に記載の三次元計測装置。

上記手段６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２回の撮像を行うこととなる。

上記式（２）においてγ＝９０°とすることで下記式（１６）が導き出される。

Ｖ₁＝Ａsin（θ＋９０°）＋Ｂ
＝Ａcosθ＋Ｂ ・・・（１６）
上記式（１６）を「cosθ」について整理すると、下記式（１７）のようになる。

cosθ＝（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ ・・・（１７）
また、上記式（１）を「sinθ」について整理すると、上述したように下記式（１´）のようになる。

sinθ＝（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ ・・・（１´）
次に上記式（１´）、（１７）を下記式（１８）に代入すると下記式（１９）のようになり、さらにこれを整理することで、下記式（２０）が導き出される。

sin²θ＋cos²θ＝１ ・・・（１８）
｛（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ｝²＋｛（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ｝²＝１ ・・・（１９）
（Ｖ₀−Ｂ）²＋（Ｖ₁−Ｂ）²＝Ａ² ・・・（２０）
そして、上記式（２０）に対し上記式（３）を代入すると下記式（２１）のようになり、さらにこれを整理することで、下記式（２２）が導き出される。

（Ｖ₀−Ｂ）²＋（Ｖ₁−Ｂ）²＝Ｋ²Ｂ² ・・・（２１）
（２−Ｋ²）Ｂ²−２（Ｖ₀＋Ｖ₁）Ｂ＋Ｖ₀ ²Ｖ₁ ²＝０ ・・・（２２）
ここで、上記式（２２）をオフセットＢについて解くと、下記式（２３）を導き出すことができる。

つまり、オフセットＢは、既知の輝度値Ｖ₀，Ｖ₁及び定数Ｋにより特定することができる。

また、下記式（２４）に上記式（１´）、（１７）を代入すると下記式（２５）のようになり、さらにこれを整理することで、下記式（２６）が導き出される。

tanθ＝sinθ／cosθ ・・・（２４）
＝｛（Ｖ₀−Ｂ）／Ａ｝／｛（Ｖ₁−Ｂ）／Ａ｝ ・・・（２５）
＝（Ｖ₀−Ｂ）／（Ｖ₁−Ｂ） ・・・（２６）
そして、上記式（２６）を位相θについて解くと、下記式（２７）を導き出すことができる。

θ＝tan^-1｛（Ｖ₀−Ｂ）／（Ｖ₁−Ｂ）｝ ・・（２７）
つまり、位相θは、上記式（２３）を用いることにより、既知の輝度値Ｖ₀，Ｖ₁及び定数Ｋにより特定することができる。

このように、上記手段６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７．前記第１計測対象領域及び前記第２計測対象領域のうちの一方が検査対象領域であり、他方が計測基準領域であることを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。

上記手段７によれば、計測基準領域を基準面として検査対象領域に係る計測をより適正に行うことができ、計測精度の向上を図ることができる。但し、「検査対象領域」の計測精度をより高める上では、撮像回数の多い第１計測対象領域が「検査対象領域」となることが好ましい。

手段８．前記被計測物が、クリーム半田が印刷されたプリント基板、又は、半田バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の三次元計測装置。

上記手段８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。

例えば被計測物をプリント基板とすれば、上記「検査対象領域（例えば第１計測対象領域）」は、クリーム半田が印刷された「半田領域」であることが考えられる。また、「計測基準領域（例えば第２計測対象領域）」は、半田領域以外の「背景領域」であることが考えられる。ここで「背景領域」は、クリーム半田の印刷されていない電極パターンが露出した部分であったり、ガラスエポキシ樹脂等からなるベース基板が露出した部分であったり、電極パターン上を覆うレジスト膜の部分であったり、ベース基板上を覆うレジスト膜の部分であったりすることが考えられる。

基板検査装置を模式的に示す概略構成図である。 プリント基板の部分拡大断面図である。 基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。 （ａ）は半田用テーブルを示す説明図であり、（ｂ）は基板用テーブルを示す説明図である。 輝度設定処理を示すフローチャートである。 品種情報の表示画面を例示する説明図である。 品種情報の表示画面における輝度の選択を例示する説明図である。 第２実施形態の撮像処理を示すフローチャートである。 輝度の補正を示すための説明図である。 別実施形態における品種情報の表示画面を例示する説明図である。 光源の輝度又は反射率と輝度値との関係を示すグラフである。 ゲインとオフセットの関係を示すグラフである。

〔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。まず検査対象となる被計測物としてのプリント基板の構成について詳しく説明する。

図２に示すように、プリント基板１は、ガラスエポキシ樹脂等からなる平板状のベース基板２に、銅箔からなる電極パターン３が設けられている。さらに、所定の電極パターン３上には、クリーム半田４が印刷されている。

以下、このクリーム半田４が印刷された領域を「半田領域」という。また、半田領域以外の部分を「背景領域」と総称するが、この背景領域には、電極パターン３が露出した領域（記号ＰＡ）、ベース基板２が露出した領域（記号ＰＢ）、ベース基板２上にレジスト膜５がコーティングされた領域（記号ＰＣ）、及び、電極パターン３上にレジスト膜５がコーティングされた領域（記号ＰＤ）が含まれる。尚、レジスト膜５は、所定配線部分以外にクリーム半田４がのらないように、プリント基板１の表面にコーティングされるものである。

次に、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８について詳しく説明する。図１は、基板検査装置８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８は、プリント基板１を載置するための載置台９と、プリント基板１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１０と、プリント基板１上の前記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１１と、基板検査装置８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１２とを備えている。

載置台９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１２により駆動制御されることによって、載置台９上に載置されたプリント基板１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１０は、光源１０ａと、該光源１０ａ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１０ｂとを備えており、プリント基板１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、照明装置１０において、光源１０ａ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１０ｂ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１に対し縞状の光パターンが照射される。

さらに、照明装置１０は、光源１０ａから発せられる光の輝度を変更可能に構成されている。本実施形態では、後述する輝度設定処理が行われることにより、少なくとも半田領域に応じた半田用輝度と、背景領域に応じた背景用輝度とに切換可能となる。ここで「半田用輝度」が本実施形態における「第１輝度」に相当し、「背景用輝度」が本実施形態における「第２輝度」に相当する。

液晶格子１０ｂ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１０ｂを介してプリント基板１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。

カメラ１１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１１によって撮像された画像データは、該カメラ１１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１２に入力され、後述するデータ記憶装置２４に記憶される。そして、制御装置１２は、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１２は画像処理手段を構成する。

次に、制御装置１２の電気的構成について説明する。図３に示すように、制御装置１２は、基板検査装置８全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース２１（以下、「ＣＰＵ等２１」という）と、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と、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と、カメラ１１により撮像された画像データや各種演算データなどを記憶するためのデータ記憶装置２４と、クリーム半田４などの高さや体積の計測を行う「三次元演算手段」としての三次元演算装置２５と、検査結果を記憶するための検査結果記憶装置２６と、検査に必要な各種データを予め記憶するデータベース２７とを備えている。尚、これら各装置２２〜２７は、ＣＰＵ等２１に対し電気的に接続されている。

データベース２７は、半田領域（クリーム半田４の種類）とそれに応じた照明装置１０の輝度との対応関係を示す半田用テーブル２７Ａ、及び、背景領域（プリント基板１の種類）とそれに応じた照明装置１０の輝度との対応関係を示す基板用テーブル２７Ｂを記憶している。

本実施形態では、半田用テーブル２７Ａは、図４（ａ）に示すように、ａ社、ｂ社、ｃ社などの半田領域に印刷されたクリーム半田４の製造メーカと、それらに応じた照明装置１０の輝度との対応関係を示すものとなっている。また、基板用テーブル２７Ｂは、図４（ｂ）に示すように、緑、青、黒などの背景領域の色と、それらに応じた照明装置１０の輝度との対応関係を示すものとなっている。

次に、制御装置１２によって実行される、照明装置１０の輝度を設定するための輝度設定処理について、図５のフローチャート及び図６、図７の説明図に基づき説明する。この輝度設定処理は、表示装置２３の表示画面に表示される「設定」ボタンが選択操作されることで繰り返し実行されるものである。「設定」ボタンの選択操作は、入力装置２２を介してなされるが、例えばマウス等のポインティングデバイスで選択操作されたり、あるいは、表示装置２３と一体に構成されたタッチパネルで選択操作されたりする構成として実現される。

最初のステップ（以下、ステップを単に記号Ｓで示す）１００において、検査対象となるプリント基板１の品種が入力されたか否かを判断する。プリント基板１は、ここで指定される品種ごとに検査領域などが設定されているものとする。ここで品種が入力されたと判断された場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）、Ｓ１１０にて品種情報を表示し、Ｓ１２０へ移行する。一方、品種が入力されていないと判断された場合（Ｓ１００：ＮＯ）、以降の処理を実行せず、本輝度設定処理を一旦終了する。

Ｓ１１０における品種情報の表示例を図６に示す。ここでは例えば「品種Ｊ」が選択された場合を示している。具体的には、ウインドウＷ１が表示されている。このウインドウＷ１は、ウインドウＷ２，Ｗ３から構成されている。ウインドウＷ２には半田領域の情報が表示され、ウインドウＷ３には背景領域の情報が表示される。いずれのウインドウＷ２，Ｗ３にも、プリント基板１の全体画像ＰＧ１，ＰＧ２が表示される。なお、この全体画像ＰＧ１，ＰＧ２は予め用意されているものとする。もちろん、カメラ１１による撮像に基づいて全体画像ＰＧ１，ＰＧ２を取得するようにしてもよい。

そして、ウインドウＷ２に表示される半田用の画像ＰＧ１には、クリーム半田４の印刷された半田領域であり、検査対象となる検査対象領域３１（ウインドウＷ２中で斜線を施して示した領域）が表示されている。ここで「検査対象領域３１」が本実施形態における「第１計測対象領域」に相当する。

一方、ウインドウＷ３に表示される背景用の画像ＰＧ２には、背景領域の一部であって、高さ計測等の基準となる計測基準領域３２（ウインドウＷ３中において斜線を施して示した領域）が表示されている。ここで「計測基準領域３２」が本実施形態における「第２計測対象領域」に相当する。

また、ウインドウＷ２には半田用輝度の入力欄３３が表示され、ウインドウＷ３には背景用輝度の入力欄３４が表示される。これらの入力欄３３，３４には、輝度値がデフォルト表示されるようにしてもよいし、Ｓ１１０の段階では入力欄３３，３４を空欄にして表示するようにしてもよい。

図５の説明に戻り、Ｓ１２０では、半田用輝度の入力欄３３が選択されたか否かを判断する。半田用輝度の入力欄３３の選択は、入力装置２２を介した選択操作によりなされる。すなわち、上述した「設定」ボタンの選択操作と同様、例えばマウス等のポインティングデバイスで選択操作されたり、あるいは、例えば表示装置２３と一体に構成されたタッチパネルで選択操作されたりする構成が考えられる。以下、表示画面上での選択操作については同様とする。ここで入力欄３３が選択されたと判断された場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、Ｓ１３０にて選択リスト（これについては後述する）を表示し、Ｓ１４０へ移行する。一方、入力欄３３が選択されていないと判断された場合（Ｓ１２０：ＮＯ）、Ｓ１６０へ移行する。

Ｓ１４０では、選択リストから輝度値が選択されたか否かを判断する。ここで輝度値が選択されたと判断された場合（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、Ｓ１５０にて半田用輝度の設定処理を行い、Ｓ１６０へ移行する。一方、輝度値が選択されないうちは（Ｓ１４０：ＮＯ）、この判断処理を繰り返す。もちろん、所定時間経過しても選択されないような場合には、処理を終了してもよいし、警告等を行ってもよい（Ｓ１８０においても同様）。

Ｓ１６０では、背景用輝度の入力欄３４が選択されたか否かを判断する。背景用輝度の入力欄３４の選択は、入力装置２２を介した選択操作によりなされる。ここで入力欄３４が選択されたと判断された場合（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、Ｓ１７０にて、後述する選択リストを表示し、Ｓ１８０へ移行する。一方、入力欄３４が選択されていないと判断された場合（Ｓ１６０：ＮＯ）、Ｓ２００へ移行する。

Ｓ１８０では、選択リストから輝度値が選択されたか否かを判断する。ここで輝度値が選択されたと判断された場合（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、Ｓ１９０にて背景用輝度の設定処理を行い、Ｓ２００へ移行する。一方、輝度値が選択されないうちは（Ｓ１８０：ＮＯ）、この判断処理を繰り返す。

Ｓ２００では、終了指示があったか否かを判断する。この終了指示は、図示しない画面上の「終了」ボタンの選択操作によってなされる。ここで終了指示があったと判断された場合（Ｓ２００：ＹＥＳ）、本輝度設定処理を終了する。一方、終了指示がないと判断された場合（Ｓ２００：ＮＯ）、Ｓ１２０からの処理を繰り返す。

次に上述した輝度値の選択及び設定（Ｓ１２０〜１９０）について、具体例を挙げて説明する。なお、ここでは背景用輝度の選択及び設定（Ｓ１６０〜Ｓ１９０）について説明するが、半田用輝度の選択及び設定（Ｓ１２０〜１５０）も同様となる。

図６に示した品種Ｊのプリント基板１の情報表示を前提にして説明する。Ｓ１７０における選択リストの表示は、例えば図７に示す態様で行われる。すなわち、背景用輝度の入力欄３４が選択されると（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、新たなウインドウＷ４が入力欄３４の下側に表示される。表示される選択リストの内容は、図４（ｂ）に示した基板用テーブルにおける色と輝度との対応関係である。そして、この選択リスト中の輝度値（図中に黒三角などで示した）が選択されると（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、該輝度値が設定されて（Ｓ１９０）、背景用輝度の入力欄３４に表示される。なお、Ｓ１８０では輝度値を選択させるようにしているが、「緑」、「青」、「黒」などと示される基板種類（色）を選択させるようにしてもよいし、あるいは、それら輝度値及び基板種類のいずれか一方を選択させるようにしてもよい。

このようにして半田用輝度及び背景用輝度の設定が終了すると、プリント基板１の検査が開始可能となる。

次に基板検査装置８よるプリント基板１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１２（ＣＰＵ等２１）にて実行されるものである。

制御装置１２は、まずモータ１５，１６を駆動制御してプリント基板１を移動させ、カメラ１１の視野をプリント基板１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１１の視野の大きさを１単位としてプリント基板１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１２は、照明装置１０の設定処理を行う。より詳しくは、光源１０ａの輝度の切換制御処理と、液晶格子１０ｂの切換制御処理を行う。具体的には、光源１０ａから照射される光の輝度を、上記輝度設定処理により事前に定めた半田用輝度（第１輝度）に切換設定すると共に、液晶格子１０ｂを切換制御し、該液晶格子１０ｂ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。従って、制御装置１２による光源１０ａの輝度の切換制御処理を行う機能により本実施形態における「輝度制御手段」が構成され、液晶格子１０ｂの切換制御処理を行う機能により「位相制御手段」が構成される。

光源１０ａ及び液晶格子１０ｂの切換設定が完了すると、制御装置１２は、照明装置１０の光源１０ａを発光させ、半田用輝度の第１光パターンの照射を開始すると共に、該第１光パターンの位相を９０°ずつ、４通りの位相（位相「０°」、位相「９０°」、位相「１８０°」、位相「２７０°」）に順次シフトする。

そして、制御装置１２は、第１光パターンの位相が順次シフトされる毎にカメラ１１を駆動制御して、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。これにより、所定の検査エリアに関して、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。ここで、カメラ１１により撮像された画像データはデータ記憶装置２４へ転送され記憶される。

続いて、制御装置１２（三次元演算装置２５）は、位相シフト法により、上記４通りの画像データ（輝度値）から各画素に係る第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画素に係る輝度値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、検査対象領域３１の各画素（ｘ，ｙ）に係る高さデータ（ｚ）を算出し、かかる高さデータ（ｚ）を検査結果記憶装置２６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画素に係るゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の関係を把握し、これをデータ記憶装置２４に記憶する。従って、かかる処理機能により本実施形態における関係把握手段が構成される。但し、ゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の関係を把握する処理は、上記４通りの画像データの取得後（撮像後）、上述した検査対象領域３１に係る高さデータの算出処理と並行して行われる。

ここでゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の関係、すなわちゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の比例定数Ｋ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画素に係る輝度値Ｖ₁₀，Ｖ₁₁，Ｖ₁₂，Ｖ₁₃と、ゲインＡ₁及びオフセットＢ₁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１３］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１６］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。

さらに、上記式（Ｈ６）、（Ｈ１０）から導き出された下記式（Ｈ１１）を基にゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の比例定数Ｋを算出する。

このように算出された各画素に係るゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の比例定数Ｋをデータ記憶装置２４に記憶する。

次に制御装置１２は、計測基準領域３２に係る撮像処理を開始する。但し、計測基準領域３２に係る撮像処理は、検査対象領域３１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、上述した検査対象領域３１に係る高さデータの算出処理、並びに、ゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の比例定数Ｋの算出処理と並行して行われる。

より詳しくは、光源１０ａの輝度の切換制御処理と、液晶格子１０ｂの切換制御処理を行う。具体的には、光源１０ａから照射される光の輝度を、上記輝度設定処理により事前に定めた背景用輝度（第２輝度）に切換設定すると共に、液晶格子１０ｂを切換制御し、該液晶格子１０ｂ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。

光源１０ａ及び液晶格子１０ｂの切換設定が完了すると、制御装置１２は、照明装置１０の光源１０ａを発光させ、背景用輝度の第２光パターンの照射を開始すると共に、該第２光パターンの位相を２通りの位相（位相「０°」、位相「１８０°」）に順次シフトする。

そして、制御装置１２は、第２光パターンの位相が順次シフトされる毎にカメラ１１を駆動制御して、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。これにより、所定の検査エリアに関して、位相を１８０°シフトさせた第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データが取得される。ここで、カメラ１１により撮像された画像データはデータ記憶装置２４へ転送され記憶される。

続いて、制御装置１２は、上記２通りの画像データを基に、位相シフト法により、計測基準領域３２の各画素に係る第２光パターンの位相θ₂を算出する。

具体的に、第２光パターンの位相θ₂は、上記２通りの画像データの各画素に係る輝度値をそれぞれＶ₂₀，Ｖ₂₁とした場合、上記式（１５）を基に、下記式（１５´）のように表すことができる。

θ₂＝sin^-1［（Ｖ₂₀−Ｖ₂₁）／Ｋ（Ｖ₂₀＋Ｖ₂₁）］ ・・・（１５´）
但し、Ｋ：比例定数。

尚、本実施形態では、第２光パターンの下で撮像された上記２通りの画像データの各画素に係るゲインＡ₂及びオフセットＢ₂の関係（比例定数Ｋ＝Ａ₂／Ｂ₂）と、第１光パターンの下で撮像された上記４通りの画像データの各画素に係るゲインＡ₁及びオフセットＢ₁の関係（比例定数Ｋ＝Ａ₁／Ｂ₁）は等しいため、ここの比例定数Ｋには、データ記憶装置２４に記憶された既知の値が用いられる〔上記式（Ｈ１１）参照〕。

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、計測基準領域３２の各画素（ｘ，ｙ）に係る高さデータ（ｚ）を算出し、かかる高さデータ（ｚ）を検査結果記憶装置２６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計測手段が構成される。

続いて、制御装置１２は、計測基準領域３２を高さ基準面として検査対象領域３１のクリーム半田４の高さや体積、印刷範囲などを算出する。そして、制御装置１２は、このようにして求めたクリーム半田４の位置、面積、高さ又は体積等のデータを、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４の印刷状態の良否を判定する。かかる検査結果は、検査結果記憶装置２６に記憶される。

かかる処理が行われている間に、制御装置１２は、モータ１５，１６を駆動制御してプリント基板１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１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、検査対象領域３１に応じた第１輝度の第１光パターンを照射し撮像された画像データを基に該検査対象領域３１に係る三次元計測を行うと共に、計測基準領域３２に応じた第２輝度の第２光パターンを照射し撮像された画像データを基に該計測基準領域３２に係る三次元計測を行う構成となっている。これにより、検査対象領域３１及び計測基準領域３２の両者とも、輝度を変えて、それぞれ適正な輝度の光パターンの下で撮像した画像データに基づき三次元計測を行うことができる。結果として、計測精度の低下抑制を図ることができる。

さらに、本実施形態では、検査対象領域３１の計測を目的として撮像された４通りの画像データから、所定の撮像条件により定まる光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係（比例定数Ｋ）を把握すると共に、かかる光パターンのゲインＡ及びオフセットＢの関係と、画像データ上の各画素に係る輝度値Ｖから定まる、該画素に係る光パターンのゲインＡ又はオフセットＢの値とを利用することにより、計測基準領域３２に関しては、２通りに位相変化させた光パターンの下で撮像した２通りの画像データを基に位相シフト法により三次元計測を行うことができる。

つまり、本実施形態によれば、第１輝度の第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輝度の第２光パターンを２通りの位相で照射し、その下で２通りの画像を撮像すればよいため、撮像回数が計６回となり、撮像時間が大幅に減少する。

従って、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、本実施形態では、計測基準領域３２に関して、位相が１８０°異なる２通りの画像データを基に三次元計測が行われる構成となっているため、計測レンジが−９０°〜９０°の１８０°の範囲と比較的狭いものとなってしまうが、基準面となる計測基準領域３２は、平坦でその高さが略均一であるため、計測レンジが狭くても特段の支障はない。

加えて、本実施形態では、図４（ｂ）の基板用テーブル２７Ｂにおいて、基板種類（基板色）が「黒」の場合に対応する輝度も用意されている。これは、計測基準領域３２（背景領域）が黒色あるいは相対的に黒色に近い灰色である場合、検査対象領域３１に応じた輝度で撮像した画像データにおいては、計測基準領域３２における明暗の差（輝度差）が小さくなるおそれが高いからである。したがって、本実施形態によれば、計測基準領域３２が黒色あるいは相対的に黒色に近い灰色である場合には、効果が際立つ結果となる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。但し、第１実施形態と重複する同一構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。以下、第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。

本実施形態では、検査対象領域３１に応じた第１輝度で光パターンを照射し撮像した画像データを基に、計測基準領域３２の三次元計測が可能か否かを判断し、三次元計測が不可能と判断された場合には、前記第１輝度を計測基準領域３２に応じた第２輝度に補正し、該第２輝度で光パターンを照射する構成となっている。

以下、検査対象領域３１及び計測基準領域３２の計測に係る一連の撮像処理について、図８のフローチャートを参照して詳しく説明する。

まず最初のステップ（以下、ステップを単に記号Ｓで示す）２００において、照明装置１０の輝度をクリーム半田４に合わせて設定する。この輝度は、半田用輝度（第１輝度）として、予め決められたものである。

続くＳ２１０では、制御装置１２によって、設定された半田用輝度となるように照明装置１０が点灯され、プリント基板１の表面に対し斜め上方から第１輝度の第１光パターンが照射される。そして、制御装置１２は、第１光パターンの位相が順次シフトされる毎にカメラ１１を駆動制御して、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。これにより、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。

次のＳ２２０では、Ｓ２１０にて撮像された画像データに基づき、背景領域の平均輝度を算出する。

続くＳ２３０では、背景領域の目標輝度とＳ２２０にて算出された平均輝度との差分がしきい値以上か否かを判断する。ここで差分がしきい値以上であると判断された場合（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、Ｓ２４０へ移行する。一方、差分がしきい値を下回っている場合（Ｓ２３０：ＮＯ）、以降の処理を実行せず、本撮像処理を終了する。

差分がしきい値以上であると判断された場合に移行するＳ２４０では、輝度を補正する。具体的には、Ｓ２２０にて算出された平均輝度と目標輝度との比率に基づき、照明装置１０の輝度を補正して設定する。すなわち、半田用輝度（第１輝度）が補正されて背景用輝度（第２輝度）が設定されることになる。

Ｓ２５０では、制御装置１２によって、補正された背景用輝度となるように照明装置１０が点灯され、プリント基板１の表面に対し斜め上方から第２輝度の第２光パターンが照射される。そして、制御装置１２は、第２光パターンの位相が順次シフトされる毎にカメラ１１を駆動制御して、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。これにより、位相を１８０°シフトさせた第２光パターンの下で撮像された２通りの画像データが取得される。

以上の撮像処理に対する理解を容易にするため、具体例を挙げて説明する。

図９は、背景領域における光パターンの輝度をグラフとして模式的に示すものである。背景領域（計測基準領域３２）の三次元計測を行うための理想的な輝度を、グラフ上部に二点鎖線で示した。縞状の光パターンを照射した場合、ある程度の振幅を有するサインカーブとなることが望ましい。ところが、半田領域（検査対象領域３１）に合わせた輝度で撮像した場合、背景領域が比較的暗い色である場合など、グラフ下部に実線で示すような振幅の小さなサインカーブとなってしまうことがある。つまり、明暗の差（輝度差）が小さくなってしまうのである。

そこで、上述の撮像処理においては、背景領域の平均輝度を算出し（図８中のＳ２２０）、目標輝度との差がしきい値以上であるか否かを判断し（Ｓ２３０）、しきい値以上である場合（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、半田用輝度を補正して背景用輝度を設定する（Ｓ２４０）。図９で言えば、背景領域の輝度の平均値、すなわちグラフ下部のサインカーブの平均値Ｎを算出し（Ｓ２２０）、予め定められる理想的な輝度の平均値である目標値Ｍとの差分Ｄが、しきい値以上であるか否かを判断する（Ｓ２３０）。そして、しきい値以上である場合（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、目標値Ｍと平均値Ｎとの比率に基づいて、半田用輝度を補正して背景用輝度を設定する。具体的には、半田用輝度を（Ｍ／Ｎ）倍して背景用輝度を設定する。

そして、かかる背景用輝度での照射によって得られた画像データに基づき計測基準領域３２の三次元計測を行うと共に、半田用輝度での照射によって得られた画像データに基づき検査対象領域３１の三次元計測を行う。

一方、背景用輝度での照明・撮像が行われない場合、制御装置１２は、半田用輝度での照射によって得られた画像データに基づき検査対象領域３１及び計測基準領域３２の三次元計測を行う。

そして、計測基準領域３２を高さ基準面として検査対象領域３１のクリーム半田４の高さや体積が計測されることになる。

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。

さらに、本実施形態では、クリーム半田４の色が製造メーカによってそれほど異ならないという前提の下、半田領域（検査対象領域３１）に合わせて予め決められた半田用輝度で照明装置１０が点灯されて撮像が行われる（図８中のＳ２００，Ｓ２１０）。そして、かかる半田用輝度の第１光パターンの下で撮像された画像データに基づいて、検査対象領域３１に係る三次元計測が行われる。次に、この第１光パターンの下で撮像された画像データに基づき、背景領域の輝度の平均値を算出し（Ｓ２２０）、輝度の目標値との差分がしきい値以上である場合は（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、目標値との比率を用いて半田用輝度を補正して背景用輝度を設定する（Ｓ２４０）。背景用輝度が設定されると、この背景用輝度で照明装置１０が点灯されて撮像が行われる（Ｓ２５０）。そして、かかる背景用輝度の第２光パターンの下で撮像された画像データに基づいて、計測基準領域３２に係る三次元計測が実行可能となる。

また、上述したように、計測基準領域３２（背景領域）が黒色あるいは相対的に黒色に近い灰色である場合、検査対象領域３１に応じた輝度で撮像した画像データにおいて、背景領域における明暗の差（輝度差）が小さくなるおそれが高い。このような場合も、実際の輝度の平均値と目標値との比率で補正されて計測基準領域３２の三次元計測が実行可能となるため、計測基準領域３２が黒色あるいは相対的に黒色に近い灰色である場合には、効果が際立つ結果となる。

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１に印刷形成されたクリーム半田４の高さ等を計測する基板検査装置８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。例えばウエハ基板の場合には、酸化膜の表面を基準高さとして利用可能となり、半田バンプの高さ、形状、体積等を算出可能となる。

（ｂ）上記実施形態では、光源１０ａ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１０ｂ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光パターンによる第１計測対象領域（検査対象領域３１）の計測時において、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三次元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三次元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第１計測対象領域の撮像回数である「所定数」は、少なくとも位相シフト法により三次元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光パターンによる第２計測対象領域（計測基準領域３２）の計測時において、位相が１８０°異なる２通りの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三次元計測を行う構成となっている。これに代えて、例えば位相が９０°異なる２通りの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三次元計測を行う構成としてもよい。かかる場合、上記式（２３），（２７）を用いることにより、２通りの画像データ上の各画素における輝度値Ｖ₂₀，Ｖ₂₁と、既知の比例定数Ｋを利用して、各画素における第２光パターンの位相θ₂を算出することができる。

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、この他にも、上記式（１）、（２）、（３）の関係を満たすものであれば、他の構成を採用してもよい。位相θ₂を得る一般式としては、上記式（９）が一例に挙げられる〔［数９］参照〕。

（ｅ）ゲインＡ及びオフセットＢの関係を把握する関係把握手段の構成は上記実施形態に限定されるものではない。

例えばゲインＡとオフセットＢとの関係は、式として求めることなく、ゲインＡとオフセットＢとの関係を表した数表やテーブルデータを作成することにより、ゲインＡからオフセットＢあるいはオフセットＢからゲインＡを求めることが可能に構成しても良い。

（ｆ）上記第１実施形態ではメーカ毎に輝度の異なる半田用テーブル２７Ａを記憶している構成であったが、半田領域（クリーム半田４の印刷された領域）の色が比較的安定している場合には、半田用テーブル２７Ａを省略してもよい。すなわち、第２実施形態と同様に、製造メーカ各社で大きな違いがないことに着目し、検査対象領域３１の計測を目的とする撮像に際しては、予め決められた輝度で照明装置１０を点灯する構成としてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、複数個の計測基準領域３２（背景領域）に対し、同一の背景用輝度を設定し、当該背景用輝度による照明装置１０の照射に基づき撮像を行っている。

これに対し、複数個の計測基準領域３２を、異なる輝度での照射によって撮像する構成としてもよい。これは複数個の各計測基準領域３２が、同一色であるとは限らないためである。そこで、図１０に示すように、品種情報の表示において、各計測基準領域３２に対応させてＵ１〜Ｕ５などの記号を表示し、各計測基準領域３２毎に背景用輝度を設定可能な構成としてもよい。例えばプリント基板１の画像ＰＧ２に表示される記号に対応させるようにして入力欄３５を用意するという具合である。

（ｈ）上記第２実施形態では、画像データにおける背景領域の輝度の平均値と目標値との比率で半田用輝度を補正していた。このようにすれば比較的簡単な計算式で半田用輝度が補正されることになるが、輝度と画像データの輝度とは、完全には線形比例しない。

そこで、データベース２７に予め補正情報を記憶しておくようにしてもよい。補正情報は、例えば背景領域の輝度の平均値に応じた半田用輝度の補正倍率であることが考えられる。そして、第１光パターンによる撮像に基づいて計測基準領域３２の三次元計測が不可能と判断された場合、この補正情報を参照して半田用輝度を補正して背景用輝度を設定する。このようにすれば、設定される背景用輝度がより適切なものとなり、背景用輝度での撮像によって、計測基準領域３２の三次元計測が確実に実行可能となる。

（ｉ）上記実施形態では、計測基準領域３２（背景領域）が黒色あるいは相対的に黒色に近い灰色である場合に効果が際立つ旨上述したが、計測基準領域３２（背景領域）が白色あるいは相対的に白色に近い灰色である場合には、検査対象領域３１（半田領域）に応じた輝度で撮像した画像データ中において、計測基準領域３２（背景領域）における輝度が高くなりすぎて飽和状態となってしまうおそれが高い。したがって、計測基準領域３２（背景領域）が白色あるいは相対的に白色に近い灰色である場合にも効果が際立つ結果となる。

１…プリント基板、２…ベース基板、３…電極パターン、４…クリーム半田、５…レジスト膜、８…基板検査装置、１０…照明装置、１０ａ…光源、１０ｂ…液晶格子、１１…カメラ、１２…制御装置、２４…データ記憶装置、２５…三次元演算装置、２６…検査結果記憶装置、２７…データベース、２７Ａ…半田用テーブル、２７Ｂ…基板用テーブル、３１…検査対象領域、３２…計測基準領域、Ａ₁，Ａ₂…ゲイン、Ｂ₁，Ｂ₂…オフセット、Ｋ…比例定数。

Claims (8)

1. 所定の光を発する光源、及び、該光源からの光を縞状の光強度分布を有する光パターンに変換する格子を有し、該光パターンを少なくとも第１計測対象領域及び第２計測対象領域を有する被計測物に対し照射可能な照射手段と、
   前記光源から発せられる光の輝度を変更可能な輝度制御手段と、
   前記格子の移送又は切替を制御し、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、
   前記第１計測対象領域に応じた第１輝度の第１光パターンを所定数通りの位相で照射し撮像された所定数通りの画像データを基に、前記第１計測対象領域に係る三次元計測を行う第１計測手段と、
   前記第１光パターンの下で撮像された前記所定数通りの画像データを基に、所定の撮像条件により定まるゲイン及びオフセットの関係を把握する関係把握手段と、
   前記第２計測対象領域に応じた第２輝度の第２光パターンを２通りの位相で照射し撮像された２通りの画像データを基に、該２通りの画像データの各画素の輝度値から定まる該画素に係るゲイン又はオフセットの値と、前記関係把握手段により把握されたゲイン及びオフセットの関係とを利用して、前記第２計測対象領域に係る三次元計測を行う第２計測手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
2. 前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが相互に一義的に定まる関係であ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. 前記ゲイン及びオフセットの関係は、前記ゲインと前記オフセットとが比例関係であることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
4. 前記２通りに位相変化させた第２光パターンの相対位相関係をそれぞれ０、γとしたときの前記２通りの画像データの各画素の輝度値をそれぞれＶ₀、Ｖ₁とした場合に、
   前記第２計測手段は、前記第２計測対象領域に係る計測を行うに際し、
   下記式（１）、（２）、（３）の関係を満たす位相θを算出す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。
   Ｖ₀＝Ａsinθ＋Ｂ ・・・（１）
   Ｖ₁＝Ａsin（θ＋γ）＋Ｂ ・・・（２）
   Ａ＝ＫＢ ・・・（３）
   但し、γ≠０、Ａ：ゲイン、Ｂ：オフセット、Ｋ：比例定数。
5. γ＝１８０°としたことを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。
6. γ＝９０°としたことを特徴とする請求項４に記載の三次元計測装置。
7. 前記第１計測対象領域及び前記第２計測対象領域のうちの一方が検査対象領域であり、他方が計測基準領域であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の三次元計測装置。
8. 前記被計測物が、クリーム半田が印刷されたプリント基板、又は、半田バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の三次元計測装置。

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