JP6894280B2 - Inspection method and inspection equipment - Google Patents
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本発明は、被検査体の外観を検査するための検査方法、及びこの検査方法を用いた検査装置に関する。 The present invention relates to an inspection method for inspecting the appearance of an object to be inspected, and an inspection device using this inspection method.
近年では、様々な機器に電子回路基板が実装されるようになってきているが、この種の電子回路基板が実装される機器においては、小型化、薄型化等が常に課題になっており、この点から、電子回路基板の実装の高密度化を図ることが要求されている。このような電子回路基板のハンダの塗布状態、電子部品の実装状態等を検査する検査装置においては、その精密性から位相シフト法が用いられる。位相シフト法では、長周期の縞パターンと短周期の縞パターンを用いて高さを測定するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, electronic circuit boards have been mounted on various devices, but in devices on which this type of electronic circuit board is mounted, miniaturization, thinning, etc. have always been issues. From this point of view, it is required to increase the density of mounting of electronic circuit boards. In such an inspection device for inspecting the soldered state of the electronic circuit board, the mounted state of electronic components, and the like, the phase shift method is used because of its precision. The phase shift method is configured to measure the height using a long-period fringe pattern and a short-period fringe pattern (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述したような長周期の縞パターンと短周期の縞パターンを投影した画像により高さを求める方法では、画像の撮像回数(高さを算出するための画像の枚数)が多くなり、検査のスループットが悪化するという課題があった。また、被検査体が明るい物体である場合、長周期の縞パターンを投影して撮像するとサチュレーションが発生しやすく、サチュレーションが発生した場合は再度撮像を行う必要があり、その場合、画像の撮像回数はその分増えるという課題もあった。より少ない撮像回数で高精度な高さ情報を求める手法も考案されているが、検査のスループットを向上させるために、撮像回数の更なる削減が要求されている。 However, in the method of obtaining the height from the projected images of the long-period fringe pattern and the short-period fringe pattern as described above, the number of times the image is captured (the number of images for calculating the height) increases, and the inspection is performed. There was a problem that the throughput of In addition, when the object to be inspected is a bright object, if a long-period fringe pattern is projected and imaged, saturation is likely to occur. If saturation occurs, it is necessary to perform imaging again. In that case, the number of times the image is captured. There was also the issue of increasing by that amount. A method for obtaining highly accurate height information with a smaller number of imagings has also been devised, but further reduction in the number of imagings is required in order to improve the inspection throughput.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、少ない撮像回数で高精度な高さ情報を取得することができる検査方法、及びこの検査方法を用いた検査装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an inspection method capable of acquiring highly accurate height information with a small number of imaging times, and an inspection device using this inspection method. And.
前記課題を解決するために、本発明に係る検査方法は、短周期の縞パターンが投影された被検査体の画像である短周期測定画像を取得するステップと、長周期の縞パターンに同期した固定パターンが投影された被検査体の画像である固定測定画像を取得するステップと、前記固定測定画像から、前記固定パターンの像の位置を検出するステップと、前記長周期の縞パターンが投影された基準平面の画像であって、予め取得されている長周期基準画像に基づいて、前記像の位置の位相である長周期位相を決定するステップと、前記短周期の縞パターンが投影された基準平面の画像であって、予め取得されている短周期基準画像に基づいて、前記像の位置の位相である短周期位相を決定するステップと、前記像の位置ごとに、前記長周期位相と、前記短周期位相とから、前記被検査体の高さを算出するステップと、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the inspection method according to the present invention synchronizes the step of acquiring a short-period measurement image which is an image of the object to be inspected on which the short-period stripe pattern is projected with the step of acquiring the short-period measurement image and the long-period stripe pattern. A step of acquiring a fixed measurement image which is an image of an object to be inspected on which a fixed pattern is projected, a step of detecting the position of an image of the fixed pattern from the fixed measurement image, and a step of detecting the long-period fringe pattern are projected. An image of the reference plane, the step of determining the long-period phase, which is the phase of the position of the image, and the reference on which the short-period fringe pattern is projected, based on the long-period reference image acquired in advance. A step of determining the short-period phase, which is the phase of the position of the image, based on a short-period reference image acquired in advance in a plane image, and the long-period phase for each position of the image. It is characterized by having a step of calculating the height of the object to be inspected from the short period phase.
このような本発明に係る検査方法において、前記固定パターンは、ドットである。 In such an inspection method according to the present invention, the fixed pattern is a dot .
また、このような本発明に係る検査方法において、前記固定パターンの像の位置を検出するステップは、前記固定測定画像を複数の領域に分割し、前記領域ごとに当該領域に含まれる前記像の位置を検出することが好ましい。 Further, in such an inspection method according to the present invention, in the step of detecting the position of the image of the fixed pattern, the fixed measurement image is divided into a plurality of regions, and the image included in the region is divided into a plurality of regions. It is preferable to detect the position.
また、このような本発明に係る検査方法は、前記固定パターンの像の位置を検出するステップの前に、前記固定測定画像を2値化するステップを有することが好ましい。 Further, such an inspection method according to the present invention preferably includes a step of binarizing the fixed measurement image before the step of detecting the position of the image of the fixed pattern.
また、このような本発明に係る検査方法において、前記固定測定画像を2値化するステップは、前記短周期測定画像の輝度情報に基づいて、2値化の閾値を決定することが好ましい。 Further, in such an inspection method according to the present invention, it is preferable that the step of binarizing the fixed measurement image determines the threshold value for binarization based on the luminance information of the short-period measurement image.
また、本発明に係る検査装置は、被検査体に対してパターンを投射する投射ユニットと、前記パターンが投射された前記被検査体の画像を取得するカメラユニットと、前記画像を記憶する記憶部と、上述した検査方法により前記被検査体の高さを算出する制御ユニットと、を有することを特徴とする。 Further, the inspection device according to the present invention includes a projection unit that projects a pattern on the object to be inspected, a camera unit that acquires an image of the object to be inspected on which the pattern is projected, and a storage unit that stores the image. It is characterized by having a control unit for calculating the height of the object to be inspected by the above-mentioned inspection method.
本発明によれば、少ない撮像回数で高精度な高さ情報を取得することができる。 According to the present invention, highly accurate height information can be acquired with a small number of imaging times.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図1を用いて本実施形態に係る検査装置10の構成について説明する。この検査装置10は、被検査体12を撮像して得られる被検査体画像を使用して被検査体12を検査する装置である。被検査体12は例えば、ハンダが塗布されている電子回路基板である。検査装置10は、ハンダの塗布状態の良否を被検査体画像に基づいて判定する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the
検査装置10は、被検査体12を保持するための検査テーブル14と、被検査体12を照明し撮像する撮像ユニット20と、検査テーブル14に対し撮像ユニット20を移動させるXYステージ16と、撮像ユニット20及びXYステージ16の作動を制御し、被検査体12の検査を実行するための制御ユニット30と、を含んで構成される。なお説明の便宜上、図1に示すように、検査テーブル14の被検査体配置面をXY平面とし、その配置面に垂直な方向(すなわち撮像ユニット20を構成するカメラユニット21による撮像方向(カメラユニット21の光学系の光軸方向))をZ方向とする。
The
撮像ユニット20は、XYステージ16の移動テーブル(図示せず)に取り付けられており、XYステージ16によりX方向及びY方向のそれぞれに移動可能である。XYステージ16は例えばいわゆるH型のXYステージである。よってXYステージ16は、Y方向に延びるY方向ガイドに沿って移動テーブルをY方向に移動させるY駆動部と、Y方向ガイドをその両端で支持しかつ移動テーブルとY方向ガイドとをX方向に移動可能に構成されている2本のX方向ガイドとX駆動部と、を備える。なおXYステージ16は、撮像ユニット20をZ方向に移動させるZ移動機構をさらに備えてもよいし、撮像ユニット20を回転させる回転機構をさらに備えてもよい。検査装置10は、検査テーブル14を移動可能とするXYステージをさらに備えてもよく、この場合、撮像ユニット20を移動させるXYステージ16は省略されてもよい。また、X駆動部及びY駆動部には、リニアモータやボールねじを用いることができる。
The
撮像ユニット20は、被検査体12の検査面(基板面)に対して垂直方向(Z軸方向)から撮像するカメラユニット21と、照明ユニット22と、投射ユニット23と、を含んで構成される。本実施形態に係る検査装置10においては、カメラユニット21、照明ユニット22、及び投射ユニット23は一体の撮像ユニット20として構成されていてもよい。この一体の撮像ユニット20において、カメラユニット21、照明ユニット22、及び投射ユニット23の相対位置は固定されていてもよいし、各ユニットが相対移動可能に構成されていてもよい。また、カメラユニット21、照明ユニット22、及び投射ユニット23は別体とされ、別々に移動可能に構成されていてもよい。
The
カメラユニット21は、対象物の2次元画像を生成する撮像素子と、その撮像素子に画像を結像させるための光学系(例えばレンズ)とを含む。このカメラユニット21は例えばCCDカメラである。カメラユニット21の最大視野は、検査テーブル14の被検査体載置区域よりも小さくてもよい。この場合、カメラユニット21は、複数の部分画像に分割して被検査体12の全体を撮像する。制御ユニット30は、カメラユニット21が部分画像を撮像するたびに次の撮像位置へとカメラユニット21が移動されるようXYステージ16を制御する。制御ユニット30は、部分画像を合成して被検査体12の全体画像を生成する。
The
なお、カメラユニット21は、2次元の撮像素子に代えて、1次元画像を生成する撮像素子を備えてもよい。この場合、カメラユニット21により被検査体12を走査することにより、被検査体12の全体画像を取得することができる。
The
照明ユニット22は、カメラユニット21による撮像のための照明光を被検査体12の表面に投射するよう構成されている。照明ユニット22は、カメラユニット21の撮像素子により検出可能である波長域から選択された波長または波長域の光を発する1つまたは複数の光源を備える。照明光は可視光には限られず、紫外光やX線等を用いてもよい。光源が複数設けられている場合には、各光源は異なる波長の光(例えば、赤色、青色、及び緑色)を異なる投光角度で被検査体12の表面に投光するよう構成される。
The illumination unit 22 is configured to project illumination light for imaging by the
本実施形態に係る検査装置10において、照明ユニット22は、被検査体12の検査面に対し斜め方向から照明光を投射する側方照明源であって、本実施形態では、上位光源22a、中位光源22b及び下位光源22cを備えている。なお、本実施形態に係る検査装置10において、側方照明源である上位光源22a、中位光源22b及び下位光源22cはそれぞれリング照明源であり、カメラユニット21の光軸を包囲し、被検査体12の検査面に対し斜めに照明光を投射するように構成されている。これらの側方照明源である上位光源22a、中位光源22b及び下位光源22cの各々は、複数の光源が円環状に配置されて構成されていてもよい。また、側方照明源である上位光源22a、中位光源22b及び下位光源22cは、それぞれ、検査面に対して異なる角度で照明光を投射するように構成されている。
In the
投射ユニット23は、被検査体12の検査面にパターンを投射する。パターンが投射された被検査体12は、カメラユニット21により撮像される。検査装置10は、撮像された被検査体12のパターン画像に基づいて被検査体の検査面の高さマップを作成する。制御ユニット30は、投射パターンに対するパターン画像の局所的な不一致を検出し、その局所的な不一致に基づいてその部位の高さを求める。つまり、投射パターンに対する撮像パターンの変化が、検査面上の高さ変化に対応する。
The
投射パターンは、明線と暗線とが交互に周期的に繰り返される1次元の縞パターンであることが好ましい。投射ユニット23は、被検査体12の検査面に対し斜め方向から縞パターンを投影するよう配置されている。被検査体12の検査面における高さの非連続は、縞パターン画像においてパターンのずれとして表れる。よって、パターンのずれ量から高さ差を求めることができる。例えば、サインカーブに従って明るさが変化する縞パターンを用いるPMP(Phase Measurement Profilometry)法により制御ユニット30は高さマップを作成する。PMP法においては縞パターンのずれ量がサインカーブの位相差に相当する。
The projection pattern is preferably a one-dimensional fringe pattern in which bright lines and dark lines are alternately and periodically repeated. The
投射ユニット23は、パターン形成装置と、パターン形成装置を照明するための光源と、パターンを被検査体12の検査面に投影するための光学系と、を含んで構成される。パターン形成装置は例えば、液晶ディスプレイ等のように所望のパターンを動的に生成しうる可変パターニング装置であってもよいし、ガラスプレート等の基板上にパターンが固定的に形成されている固定パターニング装置であってもよい。パターン形成装置が固定パターニング装置である場合には、固定パターニング装置を移動させる移動機構を設けるか、あるいはパターン投影用の光学系に調整機構を設けることにより、パターンの投影位置を可変とすることが好ましい。また、投射ユニット23は、異なるパターンをもつ複数の固定パターニング装置を切替可能に構成されていてもよい。
The
投射ユニット23は、カメラユニット21の周囲に複数設けられていてもよい。複数の投射ユニット23は、それぞれ異なる投射方向から被検査体12にパターンを投影するよう配置されている。このようにすれば、検査面における高さ差によって影となりパターンが投影されない領域を小さくすることができる。
A plurality of
図1に示す制御ユニット30は、本装置全体を統括的に制御するもので、ハードウエアとしては、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現され、ソフトウエアとしてはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
The
図1には、制御ユニット30の構成の一例が示されている。制御ユニット30は、検査制御部31と記憶部であるメモリ35とを含んで構成される。検査制御部31は、高さ測定部32と検査データ処理部33と検査部34とを含んで構成される。また、検査装置10は、ユーザまたは他の装置からの入力を受け付けるための入力部36と、検査に関連する情報を出力するための出力部37とを備えており、入力部36及び出力部37はそれぞれ制御ユニット30に接続されている。入力部36は例えば、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段や、他の装置との通信をするための通信手段を含む。出力部37は、ディスプレイやプリンタ等の公知の出力手段を含む。
FIG. 1 shows an example of the configuration of the
検査制御部31は、入力部36からの入力及びメモリ35に記憶されている検査関連情報に基づいて、検査のための各種制御処理を実行するよう構成されている。検査関連情報には、被検査体12の2次元画像、被検査体12の高さマップ、及び基板検査データが含まれる。検査に先立って、検査データ処理部33は、すべての検査項目に合格することが保証されている被検査体12の2次元画像及び高さマップを使用して基板検査データを作成する。検査部34は、作成済みの基板検査データと、検査されるべき被検査体12の2次元画像及び高さマップとに基づいて検査を実行する。
The
基板検査データは基板の品種ごとに作成される検査データである。基板検査データはいわば、その基板に塗布されたハンダごとの検査データの集合体である。各ハンダの検査データは、そのハンダに必要な検査項目、各検査項目についての画像上の検査区域である検査ウインドウ、及び各検査項目について良否判定の基準となる検査基準を含む。検査ウインドウは各検査項目について1つまたは複数設定される。例えばハンダの塗布状態の良否を判定する検査項目においては通常、その部品のハンダ塗布領域の数と同数の検査ウインドウがハンダ塗布領域の配置に対応する配置で設定される。また、被検査体画像に所定の画像処理をした画像を使用する検査項目については、その画像処理の内容も検査データに含まれる。 The board inspection data is inspection data created for each type of board. The board inspection data is, so to speak, a collection of inspection data for each solder applied to the board. The inspection data of each solder includes the inspection items required for the solder, the inspection window which is the inspection area on the image for each inspection item, and the inspection criteria which are the criteria for quality judgment for each inspection item. One or more inspection windows are set for each inspection item. For example, in the inspection item for determining the quality of the solder coating state, the same number of inspection windows as the number of solder coating regions of the component are usually set in an arrangement corresponding to the arrangement of the solder coating regions. In addition, for inspection items that use an image that has undergone predetermined image processing on the image to be inspected, the content of the image processing is also included in the inspection data.
検査データ処理部33は、基板検査データ作成処理として、その基板に合わせて検査データの各項目を設定する。例えば検査データ処理部33は、その基板のハンダレイアウトに適合するように各検査ウインドウの位置及び大きさを各検査項目について自動的に設定する。検査データ処理部33は、検査データのうち一部の項目についてユーザの入力を受け付けるようにしてもよい。例えば、検査データ処理部33は、ユーザによる検査基準のチューニングを受け入れるようにしてもよい。検査基準は高さ情報を用いて設定されてもよい。
The inspection
検査制御部31は、基板検査データ作成の前処理として被検査体12の撮像処理を実行する。この被検査体12はすべての検査項目に合格しているものが用いられる。撮像処理は上述のように、照明ユニット22により被検査体12を照明しつつ撮像ユニット20と検査テーブル14との相対移動を制御し、被検査体12の部分画像を順次撮像することにより行われる。被検査体12の全体がカバーされるように複数の部分画像が撮像される。検査制御部31は、これら複数の部分画像を合成し、被検査体12の検査面全体を含む基板全面画像を生成する。検査制御部31は、メモリ35に基板全面画像を記憶する。
The
また、検査制御部31は、高さマップ作成のための前処理として、投射ユニット23により被検査体12にパターンを投射しつつ撮像ユニット20と検査テーブル14との相対移動を制御し、被検査体12のパターン画像を分割して順次撮像する。投射されるパターンは好ましくは、PMP法に基づきサインカーブに従って明るさが変化する縞パターンである。検査制御部31は、撮像した分割画像を合成し、被検査体12の検査面全体のパターン画像を生成する。検査制御部31は、メモリ35にパターン画像を記憶する。なお、全体ではなく検査面の一部についてパターン画像を生成するようにしてもよい。
Further, as a preprocessing for creating a height map, the
高さ測定部32は、撮像パターン画像上のパターンに基づいて被検査体12の検査面全体の高さマップを作成する。高さ測定部32はまず、撮像パターン画像と基準パターン画像との局所的な位相差を画像全体について求めることにより、被検査体12の検査面の位相差マップを求める。基準パターン画像とは、投射ユニット23により投射されたパターン画像(つまり投射ユニット23に内蔵されているパターン形成装置が生成した画像)である。高さ測定部32は、高さ測定の基準となる基準面と位相差マップとに基づいて被検査体12の高さマップを作成する。基準面は例えば、検査される電子回路基板の基板表面である。基準面は必ずしも平面ではなくてもよく、基板の反り等の変形が反映された曲面であってもよい。
The
高さ測定部32は、具体的には、撮像パターン画像の各画素と、当該画素に対応する基準パターン画像の画素とで縞パターンの位相差を求める。高さ測定部32は、位相差を高さに換算する。高さへの換算は、当該画素近傍における局所的な縞幅を用いて行われる。撮像パターン画像上の縞幅が場所により異なるのを補償するためである。検査面上での位置により投射ユニット23からの距離が異なるために、基準パターンの縞幅が一定であっても、検査面のパターン投影領域の一端から他端へと線形に縞幅が変化してしまうからである。高さ測定部32は、換算された高さと基準面とに基づいて基準面からの高さを求め、被検査体12の高さマップを作成する。
Specifically, the
検査制御部31は、被検査体12の高さマップが有する高さ情報を被検査体12の2次元画像の各画素に対応づけることにより、高さ分布を有する被検査体画像を作成してもよい。検査制御部31は、高さ分布付き被検査体画像に基づいて被検査体12の3次元モデリング表示を行うようにしてもよい。また、検査制御部31は、2次元の被検査体画像に高さ分布を重ね合わせて出力部37に表示してもよい。例えば、被検査体画像を高さ分布により色分け表示するようにしてもよい。
The
以下に、このような検査装置10において、投射ユニット23によりパターンを投射して高さを測定する方法について説明する。
Hereinafter, a method of projecting a pattern by the
まず、縞パターンを用いたPMP法による従来の高さ測定方法について説明する。縞パターン投射領域の1つの計測点に着目すると、空間的に位相をずらしながら縞パターンを投射したときに(言い換えれば、縞の反復する方向に縞パターンを走査したときに)、その計測点の明るさは周期的に変動する。色や反射率等の計測点の表面特性に応じて計測点ごとに平均の明るさは異なるものの、どの計測点においても縞パターンに対応する周期的な明るさ変動が生じる。よって、計測点を例えば最も明るくするときの縞パターンの位相がその計測点の高さ情報を表すことになる。一般化すれば、周期的明るさ変動の初期位相が各計測点の高さ情報を与えると言える。 First, a conventional height measurement method by the PMP method using a striped pattern will be described. Focusing on one measurement point in the fringe pattern projection area, when the fringe pattern is projected while spatially shifting the phase (in other words, when the fringe pattern is scanned in the direction in which the fringe repeats), the measurement point of the measurement point The brightness fluctuates periodically. Although the average brightness differs for each measurement point depending on the surface characteristics of the measurement points such as color and reflectance, periodic brightness fluctuations corresponding to the fringe pattern occur at each measurement point. Therefore, for example, the phase of the fringe pattern when the measurement point is brightest represents the height information of the measurement point. Generally speaking, it can be said that the initial phase of the periodic brightness fluctuation gives the height information of each measurement point.
このような縞パターンによる特性を用いて、従来の高さ測定方法は、周期の異なる少なくとも2種のパターンを使用して高さを求める。長周期(つまり太い縞)の第1パターンにより大まかな高さを求め、短周期(細い縞)の第2パターンで精密な高さを求める。上述したようにPMP法は位相に基づき高さを求めるので、高さ差が大きく縞が1周期以上ずれてしまうと高さを一意に特定することができない。第1縞パターンを併用して高さを求めておくことにより、第2縞パターンを投射したときに縞が1周期以上ずれている場合にも高さを一意に特定することが可能となる。 Using the characteristics of such a striped pattern, the conventional height measuring method determines the height by using at least two patterns having different periods. The first pattern with a long period (that is, thick stripes) is used to obtain a rough height, and the second pattern with a short period (thin stripes) is used to obtain a precise height. As described above, since the height is obtained based on the phase in the PMP method, the height cannot be uniquely specified if the height difference is large and the fringes are deviated by one cycle or more. By obtaining the height in combination with the first fringe pattern, it is possible to uniquely specify the height even when the fringes are deviated by one cycle or more when the second fringe pattern is projected.
ところが、このように複数の異なるパターンでそれぞれ高さを測定し、それらの結果を総合して高さマップを求める場合には、一般にパターンごとに個別的に投射し撮像することになると考えられる。PMP法では原理的に1種の縞パターンについて位相をずらして少なくとも3回、典型的には4回の撮像が必要とされている。縞パターンが正弦波であることに対応して各計測点の明るさ変動も正弦波となる。縞のピッチは既知であるから、明るさの平均値、振幅、及び初期位相が明らかとなれば明るさ変動を表す正弦波が特定される。 However, when the height is measured for each of a plurality of different patterns and the results are integrated to obtain a height map, it is generally considered that each pattern is individually projected and imaged. In principle, the PMP method requires imaging of one type of fringe pattern at least three times, typically four times, out of phase. The brightness fluctuation of each measurement point also becomes a sine wave corresponding to the fringe pattern being a sine wave. Since the pitch of the fringes is known, a sine wave representing the variation in brightness can be identified if the average value, amplitude, and initial phase of the brightness are known.
少なくとも3枚の撮像画像から計測点の明るさ測定値を得ることにより、明るさの平均値、振幅、及び初期位相の3つの変数を決定することができる。また、1つの縞パターンを90度ずつ位相をずらして4回撮像したときのある画素の輝度をそれぞれl0〜l3とすると、その画素にあたる計測点の初期位相φはtan(φ)=(l3−l1)/(l2−l0)で表されることが知られている。縞パターンのピッチをPとすると縞パターンのずれ量はP×(φ/2π)で求められる。パターンの投射角度を用いてパターンずれ量からその位置の高さを求めることができる。 By obtaining the brightness measurement value of the measurement point from at least three captured images, three variables of the average value of brightness, the amplitude, and the initial phase can be determined. Further, assuming that the brightness of a pixel when one fringe pattern is imaged four times with the phase shifted by 90 degrees is l0 to l3, the initial phase φ of the measurement point corresponding to the pixel is tan (φ) = (l3-). It is known to be represented by l1) / (l2-l0). Assuming that the pitch of the fringe pattern is P, the amount of deviation of the fringe pattern is obtained by P × (φ / 2π). The height of the position can be obtained from the amount of pattern deviation using the projection angle of the pattern.
2種のパターンを用いれば少なくとも6回または8回の撮像をすることになる。1つの被検査体12を検査するために、複数の部分領域を撮像して全体画像を得るようにしている。また、1つの部分領域は複数の投射ユニット23のそれぞれで撮像される。例えば10個の部分領域をそれぞれ3つの投射ユニットで撮像するとしたら、10×3×6(または8)=180(または240)回の撮像を要することになる。こうして、1回の検査に要する撮像回数は多くなりがちであり、撮像回数が検査所要時間に与える影響は大きい。
If two patterns are used, at least 6 or 8 images will be taken. In order to inspect one inspected
そこで、本実施形態においては、PMP法のうち長周期のパターン(太い縞である第1パターン)に同期した固定パターンを用いた三角測量法により大まかな高さを求め、PMP法のうち短周期の縞パターン(細い縞である第2パターン)で精密な高さを求めることで撮像回数の低減を実現している。ここで、三角測量法は投射ユニット23から被検査体12に固定パターンを投射し、カメラユニット21で撮像した画像から、基準平面のときにある固定パターンの像からのずれ量に基づいて高さを求める方法である。なお、固定パターンは、チェッカー、矩形波、ドット等を用いることができるが、以降の説明ではドットであるとして説明する。
Therefore, in the present embodiment, a rough height is obtained by a triangulation method using a fixed pattern synchronized with a long-period pattern (the first pattern having thick stripes) in the PMP method, and a short-period pattern in the PMP method is used. The number of imagings is reduced by obtaining a precise height from the striped pattern (second pattern, which is a thin striped pattern). Here, in the triangulation method, a fixed pattern is projected from the
図2において、(a)に示すように、基準平面Sに対して投射ユニット23により縞パターンを投射してカメラユニット21で撮像した画像から得られる位相を(c)に示し、(b)に示すように、この基準平面S上に物体Oを載置した状態で同じ縞パターンを投射して撮像した画像から得られる位相を(d)に示すと、物体Oの高さはこれらの位相のずれ量(位相差=測定した位相−基準平面の位相)から算出することができる。この位相差はカメラユニット21で撮像した画像の画素ごとに計算することができ、画素ごとに求められた位相差に係数を乗算することで、その画素に対応した位置の高さが算出される。この係数は、例えば、tan(投射角度)×縞ピッチ/2πで求められる。
In FIG. 2, as shown in (a), the phase obtained from the image obtained by projecting the striped pattern by the
ここで、図3に示すように、縞パターンPtを用いる代わりに、この縞パターンPtと同期した固定パターンであるドットパターンPdを用いる場合を考える。「同期」とは、縞パターンPtにおける所定の位相の位置に、ドットパターンPdのドット(固定パターン)が配置されていることをいう。図2を用いて説明したように、縞パターンPtを用いて基準平面Sとその基準平面Sに載置された物体Oを撮像した場合、位相差Δφは、測定した位相φと基準平面の位相φ0から次式(1)で求められる。 Here, as shown in FIG. 3, instead of using the striped pattern Pt, consider the case where the dot pattern Pd, which is a fixed pattern synchronized with the striped pattern Pt, is used. “Synchronization” means that dots (fixed patterns) of the dot pattern Pd are arranged at positions of predetermined phases in the stripe pattern Pt. As described with reference to FIG. 2, when the reference plane S and the object O placed on the reference plane S are imaged using the striped pattern Pt, the phase difference Δφ is the measured phase φ and the phase of the reference plane. It is obtained from φ0 by the following equation (1).
Δφ = φ − φ0 (1) Δφ = φ − φ0 (1)
一方、ドットパターンPdのドットを、縞パターンPtの位相0の位置に形成した場合、基準平面S又は物体Oの表面に投影されたドットの像の位相(測定した位相)φは0となるため、カメラユニット21で撮像されたドットの像の位置における位相差Δφ′は、次式(2)となる。
On the other hand, when the dots of the dot pattern Pd are formed at the position of the phase 0 of the striped pattern Pt, the phase (measured phase) φ of the image of the dots projected on the reference plane S or the surface of the object O becomes 0. The phase difference Δφ ′ at the position of the dot image captured by the
Δφ′ = 0 − φ0 = −φ0 (2) Δφ ′ = 0 − φ0 = −φ0 (2)
縞パターンPtを用いた場合は、カメラユニット21で撮像された画像の画素ごとに位相差を求め、その高さを算出できたことにくらべ、ドットパターンPdを用いた場合は、ドットが形成された位置の位相差及び高さしか求めることができないが、ドットの移動量(基準平面Sの画像におけるドットの位置と測定された画像におけるドットの位置の差)等を計算する必要がなく、基準平面Sに対する縞パターンPtの画像を用いて、撮像された画像におけるドットの像の位置から、式(2)を用いて、直接位相差を求めることができる。すなわち、縞パターンPtを上述した長周期の縞パターンとし、ドットパターンPdを、この長周期の縞パターンに同期させる(例えば、縞パターンの位相=0の位置にドットを形成する)ことにより、ドットパターンPdを被検査体12に投影して撮像した画像は、PMP法において長周期のパターンを投影して取得した画像と同じ扱いをすることができる。しかも、上述したように、PMP法においては、位相差を求めるために長周期のパターンの位相をずらして少なくとも3回の撮像が必要になるが、このドットパターンPdを用いると、1回の撮像で、ドットの像がある位置の位相差を求めることができる。したがって、1つの視野領域に対して短周期のパターンによる測定に3回の撮像が必要であったとしても、合計4回の撮像で、PMP法と同等の精度の高さ測定を行うことができる。
When the striped pattern Pt is used, the phase difference can be obtained for each pixel of the image captured by the
ここで、所定の位置(ドットの像が検出された位置)のドットパターンと長周期の縞パターンが投射された基準平面の画像とにより求められた位相差をΔφwとし、短周期の縞パターンの画像から求められた位相差(基準平面の画像と測定された画像から求められた位相差)をφfとし、長周期の縞パターンと短周期の縞パターンの縞ピッチの比をNとすると、ドットの像が検出された位置の高さhは、次式(3)で求められる。但し、Round()は、小数点以下を切り捨てる関数である。 Here, let Δφw be the phase difference obtained from the dot pattern at a predetermined position (the position where the dot image is detected) and the image of the reference plane on which the long-period fringe pattern is projected, and set the short-period fringe pattern. Let φf be the phase difference obtained from the image (the phase difference obtained from the image on the reference plane and the measured image), and let N be the ratio of the fringe pitch of the long-period fringe pattern to the short-period fringe pattern. The height h of the position where the image of is detected is calculated by the following equation (3). However, Round () is a function that rounds down after the decimal point.
h = Round((N×Δφw−Δφf)/2π)×2π+Δφf (3) h = Round ((N × Δφw−Δφf) / 2π) × 2π + Δφf (3)
なお、PMP法と同様に、ドットパターン(長周期の縞パターン)による測定結果が、短周期の縞パターンのピッチの半分以上ずれると(位相にするとπずれると)、正しい結果を得ることができなくなる。しかしながら、電子回路基板のハンダの塗布状態の検査等においては、基板の表面とハンダ部分とでは大きな高低差はなく(すなわち、なだらかな湾曲を有する平面に細かな物体が存在する形状の対象物に対しては)、本方法により、十分な精度の高さを測定することができる。 As with the PMP method, if the measurement result by the dot pattern (long-period fringe pattern) deviates by more than half the pitch of the short-period fringe pattern (when the phase shifts by π), the correct result can be obtained. It disappears. However, in the inspection of the solder coating state of the electronic circuit board, there is no large height difference between the surface of the board and the soldered portion (that is, an object having a shape in which a fine object exists on a flat surface having a gentle curve). On the other hand, by this method, it is possible to measure a high degree of sufficient accuracy.
それでは、図4を用いて、具体的な測定方法について説明する。なお、投射ユニット23で投射するパターンは、長周期の縞パターン、この長周期の縞パターンに同期したドットパターン(固定パターン)、及び、短周期の縞パターンである。また、以降の説明では、1つの視野領域に対する測定処理について説明するが、被検査体12が複数の視野領域に跨がる場合は、それぞれの視野領域に対して以下の処理が実行される。
Then, a specific measurement method will be described with reference to FIG. The patterns projected by the
まず、測定前の前準備を行う。例えば、入力部36から前準備の処理の実行命令が入力されると、制御ユニット30は、投射ユニット23により短周期の縞パターンを基準平面に投射し、その画像(短周期基準画像)をカメラユニット21で撮像し、メモリ35に記憶する(ステップS100)。次に、制御ユニット30は、投射ユニット23により長周期の縞パターンを基準平面に投射し、その画像(長周期基準画像)をカメラユニット21で撮像し、メモリ35に記憶して(ステップS110)、この前準備の処理を終了する。なお、基準平面としては、部品の搭載されていない基板を検査テーブル14にセットしてもよいし、基準平面となる専用の部材を検査テーブル14にセットしてもよい。
First, preparations before measurement are performed. For example, when an execution command for preparatory processing is input from the
次に、検査テーブル14に被検査体12を載置して検査(測定)を行う。例えば、入力部36から検査の処理の実行命令が入力されると、制御ユニット30は、投射ユニット23により短周期の縞パターンを被検査体12に投射してカメラユニット21でその画像(短周期測定画像)を取得し、メモリ35に記憶する(ステップS200)。なお、このステップS200では、上述したように、1つの視野領域に対して縞パターンをシフトした少なくとも3枚の画像を取得する。次に、制御ユニット30は、投射ユニット23によりドットパターンを被検査体12に投射してカメラユニット21でその画像(固定測定画像)を取得し、メモリ35に記憶する(ステップS210)。上述したように、ドットパターンの画像は、1つの視野領域に対して1回の撮像でよい。
Next, the inspected
制御ユニット30は、メモリ35から短周期測定画像を読み出し、この短周期測定画像から位相計算を行う(ステップS220)。上述したように、被検査体12に対して短周期の縞パターンを投射したときの撮像は、位相をシフトさせて少なくとも3回の撮像が行われる。これらの撮像における位相のシフトと被検査体12に投影される低周期の縞パターンが正弦波の場合の輝度の関係は、次式(4)で表される。なお、この式(4)において、vは輝度を示し、Aは被検査体12の明るさに依存した振幅を示し、Cはカメラユニット21や環境輝度に依存した明るさのオフセットを示し、Bは求めたい位相を示し、λは位相のシフト量を示し、xはシフト回数を示す。
The
v = A×sin(λ×x+B)+C (4) v = A × sin (λ × x + B) + C (4)
制御ユニット30は、メモリ35から固定測定画像を読み出し、短周期の縞パターンの輝度情報、すなわち、上述した式(4)の振幅A及びオフセットCにより決定される閾値に基づいて、この固定測定画像の2値化を行う(ステップS230)。ここで、閾値は、例えば、C又はC−A/2とすることができる。低周期測定画像の輝度情報(低周波測定画像を撮像するために投射された低周波の縞パターンの輝度情報)に基づいて固定画像を2値化することにより、被検査体12の輝度や色に関わらず、安定したドット像を検出することができる。また、制御ユニット30は、この2値化された固定測定画像に対してノイズ低減フィルタを実行し、ノイズの除去を行う(ステップS240)。
The
また、制御ユニット30は、2値化され、さらにノイズが除去された固定測定画像において、ドット像の位置を検出する(ステップS250)。この固定測定画像からドット像を検出する方法としては、テンプレートマッチングやラベリングのアルゴリズムを用いることができるが、シーケンシャルな処理であるため、GPU(Graphics Processing Unit)等で実装しずらく、現実的には、撮像やカメラユニット21の移動(視野領域の変更)の時間よりも、検出の時間が長くなってしまう場合がある。
Further, the
そこで、本実施形態においては、図5(a)に示すように、固定測定画像を複数のグリッド(領域)に分割し、それぞれのグリッド内でドット像を検出しその位置を求めるように構成されている。このような構成とすると、グリッドごとに独立して走査することができるので、グリッドの数だけ並列化でき、GPU等を用いて高速に処理することができる。なお、グリッドは、ドット像の大きさ分だけ隣接するグリッドとオーバーラップさせることより、正確に検出することができる。また、ドット像の位置は、図5(b)に示すように、輝度のある位置のx方向の最大値(xmax)及び最小値(xmin)と、y方向の最大値(ymax)及び最小値(ymin)と、を求め、これらの値から次式(5)、(6)によりドット像の中心座標(x′,y′)を求めることができる。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the fixed measurement image is divided into a plurality of grids (areas), and a dot image is detected in each grid to obtain the position thereof. ing. With such a configuration, each grid can be scanned independently, so that the number of grids can be parallelized, and high-speed processing can be performed using a GPU or the like. The grid can be detected accurately by overlapping the adjacent grids by the size of the dot image. Further, as shown in FIG. 5B, the positions of the dot images are the maximum value (xmax) and the minimum value (xmin) in the x direction and the maximum value (ymax) and the minimum value in the y direction of the position having brightness. (Ymin) can be obtained, and the center coordinates (x', y') of the dot image can be obtained from these values by the following equations (5) and (6).
x′ = (xmin+xmax)/2 (5)
y′ = (ymin+ymax)/2 (6)
x'= (xmin + xmax) / 2 (5)
y'= (ymin + ymax) / 2 (6)
そして、制御ユニット30は、以上のようにして固定測定画像におけるドット像の位置(中心座標)が求まると、メモリ35から長周期基準画像を読み出し、この位置と長周期基準画像から、当該位置の位相を取得する(ステップS260)。取得方法については上述した通りである。この長周期基準画像から求められた位相により、グリッドごとの大まかな高さ(ラフ高さ)を算出することができる。
Then, when the position (center coordinates) of the dot image in the fixed measurement image is obtained, the
ここで、図5(a)に示すように、ドット像を検出することができ、大まかな高さが分かるグリッドと、ドット像を検出することができず、大まかな高さが分からないグリッドとが存在する。そのため、高さの分からないグリッドについては、周辺のグリッドの大まかな高さからそのグリッドの高さを決定することによりラフ高さを伝搬させる(ステップS270)。最後に、制御ユニット30は、上述した式(3)に基づいて、ラフ高さと短周期画像から求められる位相とを結合することにより、ドット像の位置の詳細な高さを算出する(ステップS280)。なお、上述した式(3)から明らかなように、ラフ高さの算出においては、Round関数により小数点以下が切り捨てられることにより、長周期パターンから求められる位相差が丸められるため、ドット像が多少変形していても、最終的に求められる高さの精度に影響を与えることがない。
Here, as shown in FIG. 5A, there are a grid in which a dot image can be detected and a rough height can be found, and a grid in which a dot image cannot be detected and a rough height cannot be found. Exists. Therefore, for a grid whose height is unknown, the rough height is propagated by determining the height of the grid from the rough height of the surrounding grid (step S270). Finally, the
以上のように、本実施形態に係る検査方法を用いると、一つの視野領域に対して、固定パターンを投射した1回の撮像と、短周期パターンを投射した状態で位相をシフトしながら撮像する3回の合計4回の撮像で、高精度な高さ情報を取得することができるので、精度を維持しながら検査のスループットを向上させることができる。また、固定パターンをドットパターンとすることで、固定測定画像をグリッドに分割してGPU等を用いた並列処理を行うことができるので、更にスループットを向上させることができる。なお、短周期の縞パターンを投射した撮像の回数(シフトの回数)は4回以上としてもよい。 As described above, when the inspection method according to the present embodiment is used, one imaging in which a fixed pattern is projected and an imaging in which a short-period pattern is projected while shifting the phase are performed for one visual field region. Since high-precision height information can be acquired by a total of four imagings of three times, it is possible to improve the inspection throughput while maintaining the accuracy. Further, by using the fixed pattern as a dot pattern, the fixed measurement image can be divided into grids and parallel processing using a GPU or the like can be performed, so that the throughput can be further improved. The number of times of imaging (number of shifts) in which a short-cycle fringe pattern is projected may be four or more.
10 検査装置
21 カメラユニット
23 投射ユニット
30 制御ユニット
10
Claims (5)
長周期の縞パターンに同期した固定パターンが投影された被検査体の画像である固定測定画像を取得するステップと、
前記固定測定画像から、前記固定パターンの像の位置を検出するステップと、
前記長周期の縞パターンが投影された基準平面の画像であって、予め取得されている長周期基準画像に基づいて、前記像の位置の位相である長周期位相を決定するステップと、
前記短周期の縞パターンが投影された基準平面の画像であって、予め取得されている短周期基準画像に基づいて、前記像の位置の位相である短周期位相を決定するステップと、
前記像の位置ごとに、前記長周期位相と、前記短周期位相とから、前記被検査体の高さを算出するステップと、を有し、
前記固定パターンは、ドットであることを特徴とする検査方法。 The step of acquiring a short-period measurement image, which is an image of the object to be inspected on which a short-period fringe pattern is projected, and
A step of acquiring a fixed measurement image, which is an image of an inspected object on which a fixed pattern synchronized with a long-period fringe pattern is projected, and
A step of detecting the position of the image of the fixed pattern from the fixed measurement image, and
An image of a reference plane on which the long-period fringe pattern is projected, and a step of determining a long-period phase, which is the phase of the position of the image, based on a long-period reference image acquired in advance.
An image of a reference plane on which the short-period fringe pattern is projected, and a step of determining a short-period phase, which is the phase of the position of the image, based on a previously acquired short-period reference image.
For each position of the image, and chromatic said long period phase, wherein from the short cycle phase, and calculating the height of the object to be inspected, and
An inspection method in which the fixed pattern is a dot.
前記パターンが投射された前記被検査体の画像を取得するカメラユニットと、
前記画像を記憶する記憶部と、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の検査方法により前記被検査体の高さを算出する制御ユニットと、を有することを特徴とする検査装置。 A projection unit that projects a pattern on the object to be inspected,
A camera unit that acquires an image of the object to be inspected on which the pattern is projected, and
A storage unit that stores the image and
An inspection apparatus comprising: a control unit for calculating the height of the object to be inspected by the inspection method according to any one of claims 1 to 4.
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