TW201033579A - Three dimensional measuring device - Google Patents

Description

201033579 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於三維測量裝置。 【先前技術】 一般，將電子部件安裝於印刷基板上時，首先，在設 置於印刷基板上之規定的電極圖案上，印刷焊錫膏。接著， 根據該焊錫膏的粘性，將電子部件暫時固定於印刷基板 上。然後，將上述印刷基板引導至回焊爐，經由規定的回 φ 焊步驟進行焊接。近來，在引導至回焊爐的前階段，必須 檢查焊錫膏的印刷狀態，進行該檢查時，有時採用三維測 量裝置。 近年來，提案有各種使用光之所謂的非接觸式三維測 量裝置，例如，提案有利用移相法或空間編碼化法的三維 測量裝置相關之技術。 在上述技術的三維測量裝置中，採用c CD照相機等的 拍攝機構。例如，採用移相法時，利用由光源和正弦波圖 ® 案的濾波器之組合所構成的照射機構，對被測量物（此時爲 印刷基板），照射具有正弦波狀光強度分布的光圖案。接 著，採用設置於正上方的CCD照相機等，對基板上的點進 行觀測。此時，畫面上之規定測量對象點的光強度I可以 下式表示。 I™ e + f*cos0 (其中，e表示直流光雜訊（偏移成分），f表示正弦波的 對比（反射率），0表示藉由物體的凹凸賦予的相位） 201033579 此時，使光圖案移動，以使相位於例如4階段（0 + 〇, 0 + π/2，0 + π，0 + 3π/2)變化，而獲取具有對應於上 述4階段之強度分布1〇、Π、12、13的影像，並根據下式 求得調變分α。 a= arctan{(13- 11)/(10- 12)} 採用該調變分α，求出印刷基板（焊錫膏）上之測量 對象點的3維座標（X、Υ、Ζ)，藉此可測量焊錫膏的三維形 狀，特別是高度。 〇 但是，在三維測量裝置的領域，因拍攝機構之照相機 透鏡之視角的關係，會有因測量對象點的高度，致使其高 度資料或印刷基板上的座標資料與實際情況不同而被測量 之情形。關於其原理，將參照圖4進行說明。 如上所述，從規定的照射機構發出的光圖案Η在規定 的測量對象點反射，其反射光Η，藉照相機70而拍攝。據 此’三維測量裝置可將例如位於拍攝面（基準面）Μ上的測 量對象點Α(Χ0，Ζ0)，識別爲在與拍攝面中心〇,相距χ〇 ® 的位置且位於高度ζο(=ο)處的點。 相對於此，在與拍攝面中心0,相距XI的位置且與拍 攝面Μ相距Ζ1之高度處之測量對象點Β(Χ1，Ζ1)所反射的 反射光Η’’入射至照相機70時，三維測量裝置將該反射 光Η ’誤認爲是在與拍攝面中心〇’距離χ〇的位置且在高度 Ζ2處之測量對象點C(X0，Ζ2)所反射的光。其成爲測量誤 差，有導致測量精度的降低之可能性。 爲了解決此種不良情況，在三維測量裝置的領域中， 201033579 採用不會因測量對象點的高度，而在所測量之高度資料或 拍攝面上之座標資料產生偏差的遠心光學系（參照例如專 利文獻1)。 【先前技術文獻】 〔專利文獻〕 專利文獻1:日本特表2003— 527582號文獻 【發明內容】 〔發明所欲解決之課題〕 ® 然而，上述遠心光學系有尺寸非常大、價格昂貴，並 且拍攝視野狹窄等的問題。 另外，上述課題未必限定於印刷在印刷基板上的焊錫 膏等的高度測量，亦存在於其他的三維測量裝置的領域。 本發明係有鑒於上述課題而開發者，其目的在於提供 一種在不採用遠心光學系的情況下，可達成測量精度之提 升的三維測量裝置。 〔用以解決課題之手段〕 應 _ 以下，針對適用於解決上述課題的各機構，分項進行 說明。此外，依需要而於對應的機構附註特有的作用效果。 申請專利範圍第1項係一種三維測量裝置，其包括： 照射機構，至少可對被測量物，照射具有條紋狀光強 度分布的光圖案； 拍攝機構，可對已照射上述光圖案之被測量物所產生 的反射光進行拍攝；以及 影像處理機構，至少依據藉由上述拍攝機構所拍攝的 201033579 影像資料’進行上述被測量物上之各座標位置的高度測量， 三維測量裝置的特徵爲包括補正運算機構，該補正運 算機構至少依據上述拍攝機構的高度資訊、與對上述被測 量物照射之光圖案的照射角資訊，對藉由上述影像處理機 構所 '測量之上述被測量物上之測量對象點的座標資料和高 度資料’進行因上述拍攝機構透鏡之視角所產生之偏差的 補正。 根據上述申請專利範圍第1項，不採用遠心光學系， ® 而是藉由運算處理以軟體方式對因拍攝機構之透鏡的視角 所產生之測量資料的偏差進行補正，可達成測量精度的提 昇。其結果，可採用一般的微透鏡等，並可擴大拍攝視野。 進而，可抑制裝置的大型化、複雜化，並可達成抑制製造 成本的增加。 申請專利範圍第2項係如申請專利範圍第1項之三維 測量裝置，其中上述拍攝機構設置於上述被測量物的正上 方’上述照射機構設置於上述被測量物的斜上方。 ❿ 如上述申請專利範圍第2項所示，當拍攝機構設置於 被測量物的正上方，照射機構設置於被測量物的斜上方 時，由於因拍攝機構之透鏡的視角所產生之測量資料的偏 差容易變大，故上述申請專利範圍第1項的作用效果更可 發揮功效。 申請專利範圍第3項係如申請專利範圍第2項之三維 測量裝置，其中上述補正運算機構將以上述被測量物之拍 攝面爲基準之上述拍攝機構之透鏡之主點的高度Leo設爲 201033579 上述拍攝機構的高度資訊，將照射自上述 案的光線和上述拍攝面之間所形成的角度 案的照射角資訊， 並藉由下式（a)、（b)，由上述測量對象 資料X1和高度資料Z1，計算上述測量對 標資料X0和高度資料Z0。

Z 0 = Leo · Zl/(Lco— XI · tana) ... (a) X〇= {1- Zl/(Lco- XI · tana)} · XI Φ 【實施方式】 以下，參照圖式，說明一實施形態。 圖1爲以模式方式顯示具備本實施形 置之基板檢查裝置1的示意立體圖。如該 査裝置1具備有：載置台3，用以載置印 成之作爲被測量物的印刷基板2 ;作爲照 置4，用以從斜上方對印刷基板2的表面 案；作爲拍攝機構的C C D照相機5，用以 m W 上之上述已照射的部分；以及控制裝置6 檢查裝置1內的各種控制、影像處理、運 置6構成本實施形態的影像處理機構或補 照明裝置4具備週知的液晶光學快門 板2 ’從斜上方照射相位每次改變4分之 光圖案。本實施形態中，光圖案被設定爲 2的一對邊平行且沿著X軸方向照射。亦 紋係以與X軸方向垂直，且與γ軸方向平 照射機構之光圖 a設爲上述光圖 點之表觀的座標 象點之真正的座 …（b) 態之三維測量裝 圖所不1基板檢 刷有焊錫膏而構 射機構之照明裝 照射規定的光圖 拍攝印刷基板2 ，用以實施基板 算處理。控制裝 正運算機構。 ，其可對印刷基 1間距的條紋狀 與矩形印刷基板 即，光圖案的條 行的方式照射。 201033579 此外，在照明裝置4中，來自未圖示之光源的光藉由 光纖被引導至一對聚光透鏡，並於此成爲平行光。該平行 光經由液晶元件，被引導至設置於恆溫控制裝置內的投影 透鏡4a (參照圖3)。接著，從投影透鏡4a照射四個相位 改變的光圖案。如上所述，藉由於照明裝置4採用液晶光 學快門，作成條紋狀光圖案時，可獲得其照度接近於理想 的正弦波的光，依此，三維測量的測量解析力得以提高。 另外，可電性地進行光圖案之移相的控制，可達成控制系 ❹ 的小型（compact)化。 在載置台3上設有馬達15、16，該馬達15、16係藉 由控制裝置6進行驅動控制，依此，可使載置於載置台3 上的印刷基板2朝任意方向（X軸方向及Y軸方向）滑動。 依此構成，可使CCD照相機5的視野（即，檢査視野）移 動。 繼之，說明控制裝置6的電性構成。 如圖2所示，控制裝置6具備有：用於進行基板檢查 ® 裝置1整體的控制的CPU及輸入輸出介面21;由鍵盤、滑 鼠或觸控式面板構成之作爲「輸入機構」的輸入裝置22; CRT、液晶等具有顯示畫面之作爲「顯示機構」的顯示裝 置23 ;用於記憶利用CCD照相機5之拍攝所產生的影像資 料之影像資料記億裝置24;用於記憶各種運算結果的運算 結果記憶裝置25;及爲了進行後述的補正運算處理，而預 先記憶有各種資訊的設定資料記憶裝置26。另外，此等裝 置22〜26係電性連接至CPU與輸入輸出介面21。 201033579 在上述構成中，控制裝置6驅動控制照明裝置4以開 始進行光圖案的照射，並且使該光圖案的相位每次移動4 分之1間距以依序切換控制4種照射。另外，控制裝置6 在以上述方式進行光圖案之移相之照明的期間，驅動控制 CCD照相機5,並針對此等每個照射，拍攝檢査區域部分， 而分別獲得4畫面分的影像資料。 接著，控制裝置6根據檢查區域的影像資料（4畫面分 的影像資料），利用移相法計算檢査區域內之各座標位置 O (X，Y)的高度資料（Z)。針對每個畫素，反復進行上述處理， 依此，可獲得檢查區域整體的高度資料（Ζ)。 接著，控制裝置6對以此方式獲得之各部位的座標資 料（X，Υ)和高度資料（Ζ)，進行補正因CCD照相機5的透 鏡5a之視角所產生之偏差的補正運算處理。 以下，參照圖3，說明其原理。另外，圖3所示的各 點等係如下所述（惟，此處所示的符號與[習知技術]及[圖 4]中標記的符號無關）。 ® P:照明裝置4的投影透鏡4a的主點 〇:通過照明裝置4(主點P)的垂直線與拍攝面（基準 面）Μ的交點 Α:在藉由照明裝置4照射的光圖案中，與照射至測量 對象點C的光線Η相同的光線所照射之拍攝面Μ上的點 Β(Χ1，Ζ1):表觀的測量對象點 c(xo，Ζ0):真正的測量對象點 D : CCD照相機5之透鏡5a的主點 -10- 201033579 E:通過表觀之測量對象點B的垂直線與拍攝面Μ的 交點 F:通過真正的測量對象點C的垂直線與拍攝面Μ的 交點 χ〇 :拍攝面中心0’至交點F的距離 X 1 :拍攝面中心0 ’至交點Ε的距離 Ζ0:拍攝面Μ至真正的測量對象點C的高度 Ζ1:拍攝面Μ至表觀的測量對象點Β的高度 β Lpop:投影透鏡4a的主點Ρ距離拍攝面Μ的高度

Lpc : C CD照相機5之透鏡5a的主點D與照明裝置4 之投影透鏡4a的主點P在水平方向的距離

Leo : CCD照相機5之透鏡5a的主點D距離拍攝面Μ 的高度（CCD照相機5的高度資訊） α:照射自照明裝置4的光線Η與拍攝面Μ所形成的 角度（照射角資訊） 其次，針對求得使用於補正運算處理之運算式（a)、（b) ® 的步驟進行說明。 由 0P/0A=tana、OP=Lpop，導出下式（1)。 OA= Lpop/tana ...(1) 另外，照明裝置4與測量對象點C在水平方向的距離 OF可藉由下式（2)導出。 OF = Lpc + XO ... (2) 此外’因爲 CF/AF=tana、CF=Z0，故 ZO/OA — OF = tana。因此’由 Z0=(〇A — OF), tana、上式（1)、（2)，導 -11- 201033579 出下式（3)。 Z〇 = (Lp〇p/1ana _ Lpc — X0) · tana ...(3) 其次，若著眼於 ADO’E，貝[J Lco/Xl=Z0/(Xl— X0)成 立。因此，由（X1-X0)· Lco=z〇· XI，如下述般導出下 式⑷。 —XO· Lco=Z0· XI— XI· Leo X0= (Leo— Z0)Xl/Lco XO = (1 - ZO/Lco) · XI ... (4) φ 接著，將上式（4)代入式（3)中時， 貝lj Z0= {Lpop/tana— Lpc— (1 — ZO/Lco) · XI} · tana。 如針對Z0進行匯整， 貝lj Z0= Lpop— Lpc · tana— XI · tana+ (XI · Z0/Lco)tana (1 — XI · tana/Lco) · Z0= Lpop— (Lpc+ Xl)tana 由於右邊等於Z1，故可導出下式（a)。 Z0= Leo · Zl/(Lco— XI · tana) ...(a) 又，將上式（a)代入式（4)中時，可導出下式（b)。 ❿ X0 = {1 - Zl/(Lco- XI · tana)} · XI...(b) 根據上式（a)、（b)，控制裝置6可由從影像資料測量之 表觀的測量對象點B的座標資料X1及高度資料Z1，計算 真正的測量對象點C的座標資料X0及高度資料Z0。 另外，進行補正所需之CCD照相機5的高度資訊Leo、 照射角α、上式（a)、（b)等，在測量前已預先儲存於設定資 料記憶體26中。 以此方式得到之各部位的補正後的測量資料（座標資 -12- 201033579 料和高度資料）被儲存於控制裝置6的運算結果記憶裝置 2 5中。然後，根據該各部位的測量資料，檢測比基準面高 之焊錫膏的印刷範圍，對該範圍內之各部位的髙度進行積 分，藉此計算所印刷之焊錫膏的量。接著，與依此方式求 得之焊錫膏的位置、面積、高度或量等的資料預先儲存於 設定資料記憶裝置26中的基準資料進行比較判斷，根據該 比較結果是否有在容許範圍內，可判斷該檢查區域之焊錫 膏的印刷狀態是否良好。 ® 如以上詳述，本實施方式中，不採用遠心光學系，而 是藉由運算處理以軟體方式對因CCD照相機5之透鏡5a 的視角所產生之測量資料的偏差進行補正，可達成測量精 度的提昇。其結果，可在C CD照相機5的透鏡5a採用一 般的微透鏡等，可擴大拍攝視野。進而，可抑制裝置的大 型化、複雜化，並可達成抑制製造成本的增加。 此外，並不限於上述實施方式的記載內容，例如亦可 以如次方式實施。 ® (a)上述實施方式中，三維測量方法係採用移相法，但 也可採用其他的方式，例如：光切斷法、空間編碼法、聚 焦法等週知之測量方法中的任意測量方法。 (b)上述實施形態中，係將三維測量裝置具體化成用 以測量印刷形成於印刷基板2之焊錫膏的高度之基板檢查 裝置1，惟不限定於此，例如亦可具體化成用以測量印刷 於基板上的焊錫凸塊或安裝於基板上的電子零件等其他物 件的高度之構成》 -13- 201033579 (c)上述實施方式中，形成採用運算式（a)、（b)，進行 補正運算處理的構成，但是補正運算式並不限於此。 另外，照射角α的値亦可藉由測定光圖案等而直接求 得，亦可根據三角測量的原理，由投影透鏡4a之主點Ρ的 高度[Lpop]等的値計算而間接求得。此時，在運算式（a)、 (b)中，也可置換爲 tana=(Lpop — Zl)/(Lpc+Xl)。 【圖式簡單說明】 圖1爲以模式方式顯示一實施形態之基板檢査裝置的 示意立體圖。 圖2爲顯示基板檢查裝置之電性構成的方塊圖。 圖3爲用以說明補正運算處理之原理的圖。 圖4爲針對因照相機透鏡之視角所產生之測量資料％ 偏差的發生原理進行說明的圖。 【主要元件符號說明】 1 2 3 4 4 a 5 5 a 6 15、16 2 1 ⑩ 基板檢査裝置 印刷基板 載置台 照明裝置 投影透鏡 CCD照相機 透鏡 控制裝置 馬達 CPU及輸入輸出介面 -14- 201033579 22 輸 入 裝 置 23 顯 示 裝 置 24 影 像 資 料 記 憶 裝 置 25 運 算 結 果 記 憶 裝 置 26 設 定 資 料 記 憶 裝 置 70 照 相 機

Claims (1)

1. 201033579 七、申請專利範圍： 1·—種三維測量裝置，其包括： 照射機構，至少可對被測量物，照射具有條紋狀光 強度分布的光圖案； ’ 拍攝機構，可對已照射上述光圖案之被測量物產生 的反射光進行拍攝；以及 影像處理機構，至少依據藉由上述所拍攝機構拍攝 的影像資料，進行上述被測量物上之各座標位置的高度 ❹ 測量， 該三維測量裝置的特徵爲包括補正運算機構，該補 正運算機構至少依據上述拍攝機構的高度資訊、與對上 述被測量物照射之光圖案的照射角資訊，對藉由上述影 像處理機構所測量之上述被測量物上之測量對象點的座 標資料和高度資料，進行因上述拍攝機構透鏡之視角所 產生之偏差的補正。 2 .如申請專利範圍第1項之三維測量裝置，其中上述拍攝 〇 機構設置於上述被測量物的正上方，上述照射機構設置 於上述被測量物的斜上方。 3 .如申請專利範圍第2項之三維測量裝置，其中 上述補正運算機構將以上述被測量物之拍攝面爲基 準之上述拍攝機構之透鏡之主點的高度Lco設爲上述拍 攝機構的高度資訊，將照射自上述照射機構之光圖案的 光線與上述拍攝面之間所形成的角度《設爲上述光圖案 的照射角資訊， -16 - 201033579 ❹

   並藉由下式（a)、（b)，由上述測量對象點之表觀的座 標資料XI和高度資料Z1，計算上述測量對象點之真正 的座標資料X0和高度資料Z0 : Z 0 = Leo · Zl/(Lco — XI · tana) ... (a)； X0 = {l-Zl/(Lc〇-Xl · tana)} · XI ...(b)。 -17-