TWI582383B - 三維測量裝置 - Google Patents

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TWI582383B
TWI582383B TW104143280A TW104143280A TWI582383B TW I582383 B TWI582383 B TW I582383B TW 104143280 A TW104143280 A TW 104143280A TW 104143280 A TW104143280 A TW 104143280A TW I582383 B TWI582383 B TW I582383B
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Tsuyoshi Ohyama
Norihiko Sakaida
Takahiro Mamiya
Hiroyuki Ishigaki
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Description

三維測量裝置
本發明係有關一種利用相移法進行三維測量之三維測量裝置。
通常，在印刷基板上構裝電子零件的情況，首先於印刷基板上所配設之既定的電極圖案上印刷焊膏。接著，藉該焊膏的黏性使電子零件暫時固定於在印刷基板上。之後，前述印刷基板被導引到回焊爐，經過既定的回焊工程以進行焊接。近來，於被導引到回焊爐的前階段中有必要檢查焊膏的印刷狀態，進行如此的檢查時有時會使用三維測量裝置。
近年來，提案有各種使用光的所謂非接觸式的三維測量裝置，例如提案一種有關使用相移法的三維測量裝置之技術。
在使用該相移法的三維測量裝置中，透過由發出既定的光之光源與將來自該光源的光轉換成具有正弦波狀(條紋狀)的光強度分布之光圖案的格柵之組合所構成的照射手段，將光圖案照射於被測量物(此情況為焊膏)。接著，將基板上的點使用配置在正上方的拍攝手段作觀測。在拍攝手段方面，使用由透鏡及拍攝元件等構 成之CCD相機等。
在上述構成下，藉拍攝手段所拍攝的影像資料上的各畫素之光強度(輝度)I係依下式(U1)求得。
I=f‧sin +e‧‧(U1)
其中，f：增益，e：偏移量(offset)，：光圖案的相位。
此處，藉由移送或切換控制上述格柵，使光圖案的相位呈例如4階段(+0，+90°，+180°，+270°)變化，讀取具有與此等對應的強度分布I0、I1、I2、I3之影像資料，依據下述式(U2)刪除f(增益)和e(偏移量)，求出相位。
=tan-1[(I1-I3)/(I2-I0)]‧‧(U2)
接著，使用此相位，依據三角測量原理求出在被測量物上的各座標(X,Y)中之高度(Z)。
然而，就上述照射手段僅設置一處的構成而言，由於在被測量物上會產生沒被照射光圖案的影子的部份，所以有無法對該影子部份進行適當測量之虞。
有鑒於此，已知一種自昔為了謀求提升測量精度等而進行將光圖案從2方向照射以進行測量的技術。再者，近年，為了謀求縮短測量時間，亦提案一種技術，係在進行了所要進行之從第1照射手段照射第1光圖案的複數次拍攝處理當中之1次份量的第1拍攝處理後，進行所要進行之從第2照射手段照射第2光圖案的複數次的拍攝處理當中之1次份量的第2拍攝處理，在結束兩個拍攝處理後，同時進行兩個照射手段的移送或切換處理( 例如，參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2013-124937號公報
然而，如上述，在利用相移法之習知的三維測量裝置中，有必要使要照射的光圖案的相位呈4階段(或3階段)變化而拍攝4種(或3種)的影像。因此，在從2方向照射光圖案之情況，關於1個測量對象範圍需要分別各拍攝4次(或3次)，共計8次(或6次)，有拍攝時間增大之虞。
通常，相機等之拍攝，因為在強照明下且更短時間來進行者其機械振動的影響較小，故以較短時間(例如2msec)進行。另一方面，照射手段的格柵的移送係為避免振動等而花費較長時間(例如20msec)進行。又，即使格柵是使用液晶格柵等之情況，其切換控制和上述同樣，需要較長的時間。
因此，在上述專利文獻1的構成下，針對既定的測量對象範圍，在2個光圖案之下拍攝的次數合計8次(對各光圖案各4次)，在假設1次的拍攝花費的時間分別為[2msec]，1次的格柵的移送等花費的時間分別為[20msec]的情況，如圖10所示，直到既定的測量對象範圍的所有拍攝處理(最後的拍攝處理)結束為止所需時間為，〔第1拍攝處理所需時間[2ms]×4次〕+〔第2拍攝處 理所需時間[2ms]×4次〕+〔第1格柵及第2格柵的移送等所需時間[20ms]×3次〕=合計[76msec]。
又，在一片印刷基板上設定多數個測量對象範圍之情況，該一片印刷基板的測量所需時間更成為其數倍。因此，被要求更縮短測量時間。
此外，上述課題並不限於一定是印刷在印刷基板上的焊膏等之高度測量，在其他的三維測量裝置的領域中亦包含在內。
本發明係有鑒於上述情事而完成者，其目的在於提供一種在進行利用相移法的三維測量時，能以更短時間實現更高精度之測量的三維測量裝置。
以下，針對適用於解決上述課題之各手段，分項作說明。此外，視需要於對應的手段附記特有的作用效果。
手段1.一種三維測量裝置，建構成具備：第1照射手段，具有：發出既定的光之第1光源；及將源自該第1光源的光轉換成具有條紋狀的光強度分布的第1光圖案之第1格柵，該第1光圖案可從第1位置照射被測量物；第1格柵控制手段，控制前述第1格柵的移送或切換，使從前述第1照射手段照射的前述第1光圖案的相位進行第1既定數(例如「3」或「4」)種變化；第2照射手段，具有：發出既定的光之第2光源；及將源自該第2光源的光轉換成具有條紋狀的光強度分布的第2光圖案之第2格柵，該第2光圖案可從不同於前述第1位置的第2位置照射被 測量物；第2格柵控制手段，控制前述第2格柵的移送或切換，使從前述第2照射手段照射的前述第2光圖案的相位進行比前述第1既定數種還少的第2既定數(例如「2」或「3」)種變化；拍攝手段，可拍攝源自被照射前述第1光圖案或第2光圖案之前述被測量物的反射光；及影像處理手段，基於藉前述拍攝手段所拍攝的影像資料並利用相移法可執行前述被測量物的三維測量，在執行第1拍攝處理及第2拍攝處理當中一者的拍攝處理後，於未等待該一者的拍攝處理的前述第1格柵或前述第2格柵的移送或切換處理完成之下(包含移送或切換處理開始前)，可執行前述兩拍攝處理中另一者的拍攝處理，該第1拍攝處理係照射前述第1既定數種相位變化的前述第1光圖案所進行之前述第1既定數次的拍攝處理中的1次份量，該第2拍攝處理係照射前述第2既定數種相位變化的前述第2光圖案所進行之前述第2既定數次的拍攝處理中的1次份量，其特徵為：前述影像處理手段具備：第1測量手段，基於藉前述第1既定數次的第1拍攝處理所取得之前述第1既定數種的影像資料可執行前述被測量物的三維測量；第2測量手段，基於藉前述第2既定數次的第2拍攝處理所取得之前述第2既定數種的影像資料，利用依既定的拍攝條件所決定的增益及偏移量的關係與從前述影像資料上的各畫素之輝度值所決定之該畫素的增益或偏移量的值，可執行前述被測量物的三維測量；及測量值取得手段，關於前述兩光圖案中可藉其中一者的光圖案(例如第1光圖案) 的照射進行測量之區域，取得前述兩測量手段中該一者的光圖案的測量手段的測量結果(例如第1測量手段的測量結果)作為該區域的測量值，且關於難藉該一者的光圖案的照射進行測量之區域(輝度不足的區域或無法獲得適切的高度資料之區域等)，取得前述兩光圖案中另一者的光圖案(例如第2光圖案)的測量手段的測量結果(例如第2測量手段的測量結果)作為該區域的測量值。
依據上述手段1，藉由從2方向照射光圖案，可使被測量物不產生沒被照射光圖案之影子的部份。然後，兩光圖案中，例如關於可藉由第1光圖案的照射進行測量的區域，取得該第1光圖案的第1測量手段的測量結果作為該區域的測量值，另一方面，關於難以藉由該第1光圖案的照射來測量的區域，取得另一者的第2光圖案的第2測量手段的測量結果作為該區域的測量值，藉此可取得沒資料的遺漏部份之測量資料。結果，可謀求提升測量精度。
再者，本手段中建構成：於執行了在第1光圖案之下的1次份量之第1拍攝處理或在第2光圖案之下的1次份量之第2拍攝處理中一者的拍攝處理(例如第1拍攝處理)之後，可在未待該一者的拍攝處理的格柵的移送等完成之情況下執行前述兩拍攝處理中另一者的拍攝處理(例如第2拍攝處理)。
如此，由於在未待一者的格柵的移送等完成之情況下進行在另一者的格柵之下的拍攝，甚至是在該拍攝後之格柵的移送等，故而需要較長時間之2個格柵的 移送處理可一部份重複進行。結果，可縮短直到既定的測量對象範圍的所有拍攝處理(最後的拍攝處理)結束為止所需時間。
而且，本手段中建構成：在進行基於第2光圖案的照射之測量時，利用依既定的拍攝條件所決定的增益A及偏移量B的關係〔例如A=K(比例常數)×B〕與從影像資料上的各畫素(x,y)之輝度值V(x,y)所決定的該畫素(x,y)的增益A(x,y)或偏移量B(x,y)的值，進行被測量物的三維測量。
亦即，只要取得在至少2種相位變化的第2光圖案之下所拍攝的至少2種的影像資料，則可利用相移法進行三維測量。結果，在第2光圖案之下應拍攝的影像數(拍攝次數)是以比在第1光圖案之下應拍攝的影像數還少就解決了。
例如在基於4種(或3種)相位變化的第1光圖案的照射拍攝4種(或3種)的影像，並基於2種相位變化的第2光圖案的照射拍攝2種的影像之情況，拍攝次數共計6次(或5次)，拍攝時間減少。
因此，比起習知技術，整體經過少次數的拍攝即可解決，可縮短拍攝時間。結果，能以更短時間實現更高精度的測量。
此外，從光源照射的光係首先在通過格柵之際被衰減，接著在被測量物反射之際被衰減，最後於拍攝手段進行A/D轉換(類比-數位轉換)之際被衰減後，被取得作為影像資料的各畫素之輝度值。
因此，藉拍攝手段所拍攝的影像資料的各畫素之輝度值，係可藉由將光源的亮度(輝度)、從光源照射的光通過格柵之際的衰減率、光在被測量物反射之際的反射率、於拍攝手段進行A/D轉換(類比-數位轉換)之際的轉換效率等相乘來表現。
例如，光源(均一光)的亮度：L
格柵的透射率：G=αsinθ+β
α、β為任意的常數。
在設為：在被測量物上的座標(x,y)之反射率：R(x,y)
拍攝手段(拍攝元件)的各畫素之轉換效率：E
與被測量物上的座標(x,y)對應之影像上的畫素之輝度值：V(x,y)
在被測量物上的座標(x,y)的光圖案之增益：A(x,y)
在被測量物上的座標(x,y)的光圖案之偏移量：B(x,y)
之情況，能以下述式(F1)表示。
[數1]V(x,y)=L×G×R(x,y)×E=A(x,y)sinθ+B(x,y)‧‧‧(F1)
此處，增益A(x,y)係可由「sinθ=1」的光之輝度值V(x,y)MAX與「sinθ=-1」的光之輝度值V(x,y)MIN之差表示，所以，例如，在設為：格柵在θ=0時的透射率(=平均透射率)：Gθ=0
格柵在θ=π/2時的透射率(=最大透射率)：Gθ=π/2
格柵在θ=-π/2時的透射率(=最小透射率)：Gθ=-π/2
之情況，能以下述式(F2)表示。
[數2]A(x,y)={(L×G θ=π/2×R(x,y)×E)-(L×G θ=-π/2×R(x,y)×E)}/2={(L×R(x,y)×E)×(G θ=π/2-G θ=-π/2)}/2‧‧‧(F2)
又，偏移量B(x,y)係為在「sinθ=0」的光之輝度值V(x,y)，且為基於在「sinθ=1」的光之輝度值V(x,y)MAX與基於在「sinθ=-1」的光之輝度值V(x,y)MIN之平均值，所以能以下述式(F3)表示。
[數3]B(x,y)=L×G θ=0×R(x,y)×E={(L×G θ=π/2×R(x,y)×E)+(L×G θ=-π/2×R(x,y)×E)}/2={(L×R(x,y)×E)×(G θ=π/2+G θ=-π/2)}/2‧‧‧(F3)
亦即，輝度值的最大值V(x,y)MAX、最小值V(x,y)MIN、平均值V(x,y)AV係分別能以下述式(F4)、(F5)、(F6)表示，成為圖4的曲線圖所示的關係。
[數4]V(x,y)MAX=(L×G θ=π/2×R(x,y)×E)=B(x,y)+A(x,y)‧‧‧(F4) V(x,y)MIN=(L×G θ=-π/2×R(x,y)×E)=B(x,y)-A(x,y)‧‧‧(F5) V(x,y)AV=(L×R(x,y)×E)×(G θ=π/2+G θ=-π/2)/2=B(x,y)‧‧‧(F6)
從圖4觀看可明瞭，在既定的座標(x,y)中之輝度值的最大值V(x,y)MAX與輝度值的最少值V(x,y)MIN之平均值V(x,y)AV成為偏移量B(x,y)，該偏移量B(x,y)與最大值V(x,y)MAX之差及該偏移量B(x,y)與最少值V(x,y)MIN之差分別成為增益A(x,y)。
又，輝度值V(x,y)係與光源的亮度L或反射率 R(x,y)呈比例變化，故而在例如反射率R成為一半的座標位置，增益A、偏移量B的值亦成為一半。
接著將上述式(F2)、(F3)設為下述式(F2')、(F3')後，將兩者相加整理後，可使下述式(F7)導出。
[數5]2A(x,y)/(G θ=π/2-G θ=-π/2)=(L×R(x,y)×E)‧‧‧(F2′) 2B(x,y)/(G θ=π/2+G θ=-π/2)=(L×R(x,y)×E)‧‧‧(F3′) 2A(x,y)/(G θ=π/2-G θ=-π/2)=2B(x,y)/(G θ=π/2+G θ=-π/2)‧‧‧(F7)
然後，將上述式(F7)針對A(x,y)求解時，成為下述式(F8)，可顯示成圖5所示的曲線圖。
[數6]A(x,y)=B(x,y)×(G θ=π/2-G θ=-π/2)/(G θ=π/2+G θ=-π/2)=K×B(x,y)‧‧‧(F8)其中，比例常數K=(G θ=π/2-G θ=-π/2)/(G θ=π/2+G θ=-π/2)
亦即，在將光源的亮度L或反射率R(x,y)其中一者固定並使另一者變化之情況，偏移量B(x,y)會增減，且增益A(x,y)亦與該偏移量B(x,y)呈比例增減。依據此式(F8)，若增益A或偏移量B其中一者已知，則能求出另一者。此處，比例常數K係與光源的亮度L、反射率R無關地藉由格柵的透射率G決定。亦即，換言之係如下述的手段2、3。
此外，如上述專利文獻1所記載，若設為同時照射彼此波長成分(RGB成分)不同的2個光圖案，且可將源自於被此等照射的被測量物之反射光按各光成分進行分離拍攝，則可同時進行第1拍攝處理與第2拍攝處理，能更縮短測量時間，但此構成中，就按上述各光成分 可作分離拍攝的相機而言，有需要使用例如具備對應於各波長域的複數個分光鏡(dichroic mirror)及拍攝部的彩色相機或可按各畫素作拍攝的不同波長域的單板式彩色相機等，會有測量裝置變非常高價之虞。又，由於在被測量物之反射率等會依RGB各成分的光圖案而不同，所以依據被測量物顏色的種類會有使測量精度因各光圖案而變不同之虞。
手段2.如手段1記載之三維測量裝置，其中前述增益及偏移量的關係為，前述增益與前述偏移量相互呈無歧異決定的關係。
若增益A與偏移量B為相互無歧異決定的關係，則透過作成例如表示增益A與偏移量B之關係的數學用表、表格資料，可由增益A求出偏移量B，或由偏移量B求出增益A。
手段3.如手段1記載之三維測量裝置，其中前述增益及偏移量的關係為，前述增益與前述偏移量呈比例關係。
若增益與偏移量為比例關係，則例如能以像A=K×B+C〔其中，C：相機的暗電流(偏移量)〕的關係式表示，可由增益A求出偏移量B，或由偏移量B求出增益A。甚至可設為像下述手段4的構成。
手段4.如手段1至3中任一項記載之三維測量裝置，其中在前述第2既定數為2的情況中，於將2種相位變化的前述第2光圖案的相對相位關係分別設為0、γ時的2種的影像資料的各畫素之輝度值分別設為V0、V1的情況 ，在前述第2測量手段進行三維測量之際，算出滿足下述式(1)、(2)、(3)的關係之相位θ。
V0=Asinθ+B‧‧‧(1)
V1=Asin(θ+γ)+B‧‧‧(2)
A=KB‧‧‧(3)
其中，γ≠0，A：增益，B：偏移量，K：比例常數。
依據上述手段4，藉由將上述式(3)代入上述式(1)，可導出下述式(4)。
V0=KBsinθ+B‧‧‧(4)
當將此針對偏移量B求解時，可導出下述式(5)。
B=V0/(Ksinθ+1)‧‧‧(5)又，藉由將上述式(3)代入上述式(2)，可導出下述式(6)。
V1=KBsin(θ+γ)+B‧‧‧(6)
將上述式(6)代入上述式(5)且經整理成如下述[數7]所示那樣後，可導出下述式(7)。
[數7]V1=K×{V0/(Ksinθ+1)}sin(θ+γ)+{V0/(Ksinθ+1)} V1×(Ksinθ+1)=KV0sin(θ+γ)+V0=KV0{sinθcosγ+sinγcosθ}+V0 -V1Ksinθ+KV0cosγsinθ+KV0sinγcosθ+V0-V1=0 K(V0cosγ-V1)sinθ+KV0sinγcosθ+(V0-V1)=0 (V0cosγ-V1)sinθ+V0sinγcosθ+(V0-V1)/K=0‧‧‧(7)
此處，在設為「V0cosγ-V1=a」、「V0sinγ=b」、「(V0-V1)/K=c」之狀態時，上述式(7)可表示成如下述式(8)。
asinθ+bcosθ+c=0‧‧‧(8)
此處，如下述[數8]所示，當將上述式(8)針對相位θ 求解時，可導出下述[數9]所示的下述式(9)。
因此，上述手段4中記載『算出滿足下述式(1)、(2)、(3)的關係之相位θ』可換言之係『依據下述式(9)算出相位θ』。當然，獲得相位θ的演算法不受上述式(9)所限，滿足上述式(1)、(2)、(3)的關係即可，亦可採用其他的構成。
此外，若考慮上述之相機的暗電流C等，則可更謀求提升測量精度。
手段5.如手段4記載之三維測量裝置，其中設成γ=180°。
依據上述手段5.成為在相位差180°的2種的 第2光圖案之下進行2次的拍攝。
藉由於上述式(2)中設定γ=180°而導出下述式(10)。
V1=Asin(θ+180°)+B=-Asinθ+B‧‧‧(10)
然後，從上述式(1)、(10)可導出下述式(11)，當將此針對偏移量B求解時，可導出下述式(12)。
V0+V1=2B‧‧‧(11)
B=(V0+V1)/2‧‧‧(12)
接著，藉由將上述式(12)代入上述式(3)，可導出下述式(13)。
A=KB=K(V0+V1)/2‧‧‧(13)
又，將上述式(1)針對「sinθ」整理後，成為下述式(1')。
sinθ=(V0-B)/A‧‧‧(1')
接著，藉由於上述式(1')中代入上述式(12)、(13)，可導出下述式(14)。
sinθ={V0-(V0+V1)/2}/{K(V0+V1)/2}=(V0-V1)/K(V0+V1)‧‧‧(14)
此處，當將上述式(14)針對相位θ求解時，可導出下述式(15)。
θ=sin-1〔(V0-V1)/K(V0+V1)〕‧‧‧(15)
亦即，相位θ係可藉由已知的輝度值V0、V1及常數K來特定。
如此，依據上述手段5.可基於較簡單的演算式來求出相位θ，於進行被測量物的三維測量之際，處理可更高速化。
手段6.如手段4記載之三維測量裝置，其中設成γ=90°。
依據上述手段6，成為在相位差90°的2種的第2光圖案之下進行2次的拍攝。
藉由在上述式(2)中設成γ=90°而導出下述式(16)。
V1=Asin(θ+90°)+B=Acosθ+B‧‧‧(16)
將上述式(16)針對「cosθ」整理後，成為下述式(17)。
cosθ=(V1-B)/A‧‧‧(17)
又，將上述式(1)針對「sinθ」整理後，如上述般地成為下述式(1')。
sinθ=(V0-B)/A‧‧‧(1')
接著將上述式(1')、(17)代入下述式(18)成為下述式(19)那樣，再經整理而導出下述式(20)。
sin2θ+cos2θ=1‧‧‧(18)
{(V0-B)/A}2+{(V1-B)/A}2=1‧‧‧(19)
(V0-B)2+(V1-B)2=A2‧‧‧(20)
然後，對上述式(20)代入上述式(3)成為下述式(21)那樣，再經整理而導出下述式(22)。
(V0-B)2+(V1-B)2=K2B2‧‧‧(21)
(2-K2)B2-2(V0+V1)B+V0 2V1 2=0‧‧‧(22)
此處，當將上述式(22)針對偏移量B求解時，可導出下述式(23)。
亦即，偏移量B係可藉由已知的輝度值V0、V1及常數K來特定。
又，於下述式(24)代入上述式(1')、(17)成為下述式(25)那樣，再經整理而導出下述式(26)。
tanθ=sinθ/cosθ‧‧‧(24) ={(V0-B)/A}/{(V1-B)/A}‧‧‧(25) =(V0-B)/(V1-B)‧‧‧(26)
接著，當將上述式(26)針對相位θ求解時，可導出下述式(27)。
θ=tan-1{(V0-B)/(V1-B)}‧‧(27)
亦即，相位θ係可透過使用上述式(23)且藉由已知的輝度值V0、V1及常數K來特定。
如此，依據上述手段6，因為可依據使用了「tan-1」的演算式可求出相位θ，所以可在-180°~180°的360°範圍進行高度測量，能更加大測量範圍。
手段7.如手段1至6中任一項記載之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
例如對基準板照射3種或4種相位變化的光圖案，依據在此等之下所拍攝之3種或4種的影像資料來 特定各畫素中之增益A及偏移量B，從上述式(3)事先決定常數K。因此，依據上述手段7，可於各畫素進行更高精度的高度測量。
手段8.如手段1至6中任一項記載之三維測量裝置，其中具備關係掌握手段，其基於藉由前述第1既定數次的第1拍攝處理所取得之前述第1既定數種的影像資料，掌握前述增益及偏移量的關係。
依據上述手段8，獲得和上述手段7同樣的作用效果。如上述，增益A及偏移量B的關係(比例常數K)係與光源的亮度L、反射率R無關地藉由格柵的透射率G決定。因此，若第1格柵與第2格柵為相同者，則第1照射手段的增益及偏移量的關係與第2照射手段的增益及偏移量的關係變相同。利用此，可省略像上述手段7那樣的校正的功夫，可更謀求縮短測量時間。
手段9.如手段1至6中任一項記載之三維測量裝置，其中具備關係掌握手段，其基於藉由前述第2既定數次的第2拍攝處理所取得之前述第2既定數種的影像資料，掌握前述增益及偏移量的關係。
例如使用上述式(12)等針對影像資料的全畫素求出偏移量B，其中抽出偏移量B的值是一致的畫素之輝度值V，作成其直方圖。然後，從其直方圖決定輝度值的最大值VMAX與最小值VMIN。
如上述，輝度值的最大值VMAX與最少值VMIN的平均值成為偏移量B，最大值VMAX與最少值VMIN之差的一半成為增益A。依據此可從上述式(3)決定常數K。因 此，依據上述手段9，可省略像上述手段7那樣校正的功夫，可更謀求縮短測量時間。
手段10.如手段1至9中任一項記載之三維測量裝置，其中前述測量值取得手段為，關於可藉前述第1光圖案的照射進行測量之區域，取得前述第1測量手段的測量結果作為該區域的測量值，且關於難藉該第1光圖案的照射進行測量之區域，取得另一者的第2光圖案的第2測量手段的測量結果做為該區域的測量值。
第1拍攝處理的執行次數係比第2拍攝處理的執行次數多，據此的第1測量手段的測量結果之測量精度變得比第2測量手段的測量者還高。據此，依據上述手段10，主要使用測量精度高的第1測量手段的測量結果，而關於一部份的資料遺漏部份，藉由使用第2測量手段的測量結果，可取得整體測量精度高且資料的遺漏部份較少之測量資料。
手段11.如手段1至10中任一項記載之三維測量裝置，其中建構成在前述第1拍攝處理結束的同時，可開始該第1拍攝處理的前述第1格柵的移送或切換處理， 在前述第1格柵的移送或切換處理結束的同時，可開始前述第1拍攝處理， 在前述第1格柵的移送或切換處理的執行中，可執行前述第2拍攝處理。
依據上述手段11，可將既定的測量對象範圍的所有第1拍攝處理以最短時間結束。又，第2拍攝處理的執行次數係比第1拍攝處理的執行次數少，故而藉由建 構成在第1格柵的移送或切換處理之執行中(第1拍攝處理與第1拍攝處理之間)執行第2拍攝處理，可在迄至既定的測量對象範圍的所有第1拍攝處理結束為止的期間亦使所有第2拍攝處理結束。結果，使上述手段1等之作用效果更提升，可謀求更縮短測量時間。
手段12.如手段1至11中任一項記載之三維測量裝置，其中至少將前述第2格柵的移送或切換處理和前述第1格柵的移送或切換處理同時進行。
在假設將兩照射手段中其中一者的照射手段的格柵進行移送等之期間，從另一者的照射手段照射光圖案以進行拍攝的構成之情況，亦有受到利用致動器等移送格柵之際的機械振動或在切換控制構成格柵的液晶快門等之際可能產生之電氣雜訊的影響而產生測量誤差等之虞。
對此，依據本手段12，在第1拍攝處理的執行中，因為不進行第2照射手段的第2格柵的移送等，故可謀求抑制第1測量手段的測量精度之降低。
此外，在上述手段12的構成下雖在第1照射手段的第1格柵的移送或切換處理中可進行第2拍攝處理，但如同上述，由於基於第2測量手段的測量原本測量精度就低於基於第1測量手段的測量，所以即使是發生上述測量誤差等之情況，對於測量結果的影響係比對於第1測量手段的測量結果的影響還小。
特別是，在上述手段10、11的構成下，因為第2測量手段的測量結果是成為補足第1測量手段的測量 結果的資料遺漏部份之補足資料，所以即便測量精度降低，帶給測量資料整體之影響還是極小。
手段13.如手段1至12中任一項記載之三維測量裝置，其中前述被測量物為印刷於印刷基板的焊膏，或形成於晶圓基板的焊點凸塊。
依據上述手段13，可進行印刷於印刷基板的焊膏或形成於晶圓基板的焊點凸塊之高度測量等。進而，在焊膏或焊點凸塊的檢查中，依據其測量值可進行焊膏或焊點凸塊之良否判定。因此，在此檢查中，獲得上述各手段之作用效果，可精度佳地進行良否判定。結果，可謀求提升在焊料印刷檢查裝置或焊點凸塊檢查裝置中之檢查精度。
1‧‧‧基板檢查裝置
2‧‧‧印刷基板
4A‧‧‧第1照明裝置
4Aa‧‧‧第1光源
4Ab‧‧‧第1液晶格柵
4B‧‧‧第2照明裝置
4Ba‧‧‧第2光源
4Bb‧‧‧第2液晶格柵
5‧‧‧相機
6‧‧‧控制裝置
24‧‧‧影像資料記憶裝置
25‧‧‧演算結果記憶裝置
26‧‧‧設定資料記憶裝置
A‧‧‧增益
B‧‧‧偏移量
K‧‧‧比例常數
圖1係示意顯示基板檢查裝置之概略立體圖。
圖2係顯示基板檢查裝置的電氣構成之方塊圖。
圖3係用以說明相機及照明裝置的處理動作之時序圖。
圖4係顯示光源的亮度或反射率與輝度值之關係的曲線圖。
圖5係顯示增益與偏移量之關係的曲線圖。
圖6係表示各資料區間所含之輝度值數的分布之分布表。
圖7係表示各資料區間所含之輝度值數的分布之直方圖。
圖8係用以說明別的實施形態的相機及照明裝置的處理動作之時序圖。
圖9(a)~(c)係用以說明相機的曝光及資料轉送的處理動作之時序圖。
圖10係用以說明習知的相機及照明裝置的處理動作之時序圖。
以下，針對一實施形態，邊參照圖面邊作說明。圖1係示意顯示具備本實施形態中的三維測量裝置之基板檢查裝置1之概略構成圖。如同圖所示，基板檢查裝置1具備：載置台3，用以載置印刷有作為被測量物的焊膏之印刷基板2；2個照明裝置(作為第1照射手段的第1照明裝置4A及作為第2照射手段的第2照明裝置4B)，用以自相對於印刷基板2的表面之斜上方照射既定的光圖案；作為拍攝手段的相機5，用以拍攝印刷基板2上的被照射光圖案的部份；及控制裝置6，用以實施在基板檢查裝置1內之各種控制、影像處理、演算處理。
於載置台3設有馬達15、16，形成透過該馬達15、16受控制裝置6所驅動控制，使被載置於載置台3上的印刷基板2朝任意方向(X軸方向及Y軸方向)滑動。
第1照明裝置4A具備：發出既定的光之第1光源4Aa；及形成用以將源自該第1光源4Aa的光轉換成具有正弦波狀(條紋狀)的光強度分布之第1光圖案的第1格柵之第1液晶格柵4Ab，可對印刷基板2從斜上方照射複數種(本實施形態中為每4分之1間距)相位變化之條紋狀的 第1光圖案。此處，切換控制第1液晶格柵4Ab的格柵態樣之機構相當於第1格柵控制手段。
同樣地，第2照明裝置4B具備：發出既定的光之第2光源4Ba；及形成用以將源自該第2光源4Ba的光轉換成具有正弦波狀(條紋狀)的光強度分布之第2光圖案的第2格柵之第2液晶格柵4Bb，可對印刷基板2從斜上方照射複數種(本實施形態中為每2分之1間距)相位變化之條紋狀的第2光圖案。此處，切換控制第2液晶格柵4Bb的格柵態樣之機構相當於第2格柵控制手段。
更詳言之，各照明裝置4A、4B中，從光源4Aa、4Ba發出的光係藉由光纖導引至一對的聚光透鏡，在那成為平行光。其平行光經由液晶格柵4Ab、4Bb被導往投影透鏡。然後，從投影透鏡對印刷基板2照射條紋狀的光圖案。
液晶格柵4Ab、4Bb具備：於一對的透明基板間形成有液晶層並配置在一者的透明基板上之共通電極；及與其對向般地複數並列設置於另一者的透明基板上之帶狀電極，利用驅動電路對分別連接於各帶狀電極之切換元件(薄膜電晶體等)進行開-關控制，透過控制施加於各帶狀電極之電壓而切換和各帶狀電極對應之各格柵線的光透射率，形成光透射率高的「明部」與光透射率低的「暗部」構成之條紋狀的格柵圖案。然後，經由液晶格柵4Ab、4Bb照射於印刷基板2上的光係依起因於繞射作用的模糊等而成為具有正弦波狀的光強度分布之光圖案。
此外，本實施形態中，各照明裝置4A、4B係設定成各光圖案是被以和矩形狀的印刷基板2之一對的邊平行地沿著X軸方向照射。亦即，光圖案的條紋是被以正交於X軸方向且平行於Y軸方向地照射。
又，各照明裝置4A、4B係於沿著相機5的拍攝方向即大致鉛直方向(Z軸方向)觀看的平面圖(X-Y平面)中配置在包夾印刷基板2之相對向的位置。此處，配置第1照明裝置4A的位置相當於本實施形態中的第1位置，配置第2照明裝置4B的位置相當於第2位置。
相機5由透鏡、拍攝元件等構成。拍攝元件方面，採用CMOS感測器。當然，拍攝元件不受此所限，例如亦可採用CCD感測器等。藉相機5所拍攝之影像資料係在該相機5內部被轉換成數位信號後，以數位信號的形態輸入於控制裝置6，被記憶在後述的影像資料記憶裝置24。接著，控制裝置6係基於該影像資料，實施後述的影像處理、檢查處理等。這意味控制裝置6構成本實施形態的影像處理手段。
接著，針對控制裝置6的電氣構成進行說明。如圖2所示，控制裝置6具備：掌管基板檢查裝置1整體的控制之CPU及輸入/輸出介面21(以下，稱為「CPU等21」)；鍵盤、滑鼠或觸控面板所構成之作為「輸入手段」的輸入裝置22；CRT或液晶等的具有顯示畫面之作為「顯示手段」的顯示裝置23；用以記憶藉相機5所拍攝的影像資料之影像資料記憶裝置24；用以記憶各種演算結果之演算結果記憶裝置25；及預先記憶各種資訊的設定資 料記憶裝置26。此外，此等各裝置22~26係與CPU等21電性連接。
接著，針對基於基板檢查裝置1之印刷基板2的檢查程序作詳細說明。首先，進行用以掌握光圖案的不均(相位分布)之校正。
就液晶格柵4Ab、4Bb而言，因為依連接於各帶狀電極的各電晶體之特性(偏移量或增益等)的不均，也會在施加於上述各帶狀電極之電壓產生不均，所以即使是相同的「明部」、「暗部」，對應於各帶狀電極的各線之光透射率(亮度準位)變得不均。其結果，被照射於被測量物上的光圖案亦未成為正弦波狀的理想光強度分布，會有三維測量結果產生誤差之虞。
於是，進行所謂預先掌握光圖案的不均(相位分布)之校正等。
校正的程序方面，首先準備有別於印刷基板2之高度位置0且呈平面的基準面。基準面成為和測量對象的焊膏同一色。亦即，焊膏與光圖案之反射率相等。
接著對上述基準面照射光圖案，同時藉相機5對其拍攝，獲得含有各座標的輝度值之影像資料。本實施形態中，在進行校正之際，使光圖案的相位每次相移90°，取得在各光圖案之下所拍攝的4種的影像資料。
而且，控制裝置6係從上述4種的影像資料算出各畫素(座標)中之光圖案的相位θ，將此作為校正資料記憶在設定資料記憶裝置26。
而且本實施形態中，關於第2液晶格柵4Bb， 從上述4種的影像資料特定各畫素中之光圖案的增益A及偏移量B、以及兩者的關係，將此作為校正資料記憶在設定資料記憶裝置26。因此，設定資料記憶裝置26構成本實施形態的記憶手段。
此處，針對算出增益A及偏移量B的程序作更詳細說明。在4種的影像資料之各畫素的輝度值(V0、V1、V2、V3)與增益A及偏移量B之關係可利用下述式(H1)、(H2)、(H3)、(H4)表示。
[數11]V0=Asinθ+B‧‧‧(H1) V1=Asin(θ+90°)+B=Acosθ+B‧‧‧(H2) V2=Asin(θ+180°)+B=-Asinθ+B‧‧‧(H3) V3=Asin(θ+270°)+B=-Acosθ+B‧‧‧(H4)
接著，將4種的影像資料之輝度值(V0、V1、V2、V3)加算且將上述式(H1)、(H2)、(H3)、(H4)整理成如下述[數12]所示那樣後，可導出下述式(H5)。
[數12]V0+V1+V2+V3=(Asinθ+B)+(Acosθ+B)+(-Asinθ+B)+(-Acosθ+B)=4B B=(V0+V1+V2+V3)/4‧‧‧(H5)
又，從上述式(H1)、(H3)可導出下述式(H6)。
[數13]V0-V2=2Asinθ自sinθ=(V0-V2)/2A‧‧‧(H6)
又，從上述式(H2)、(H4)可導出下述式(H7)。
[數14]V1-V3=2Acosθ自cosθ=(V1-V3)/2A‧‧‧(H7)
接著，如下述[數15]所示，將上述式(H6)、(H7)代入下述式(H8)且經整理後，可導出下述式(H9)。
然後，依據從上述式(H5)、(H9)所導出的下述式(H10)算出增益A及偏移量B的比例常數K。
接著，將上述那樣算出的各畫素中之光圖案的增益A、偏移量B及比例常數K作為校正資料記憶在設定資料記憶裝置26。當然，也可建構成僅將比例常數K作為校正資料進行記憶。
區域所進行之檢查常式，參照圖3的時序圖詳細說明。此檢查常式係由控制裝置6(CPU等21)所執行者。
控制裝置6係首先驅動控制馬達15、16使印 刷基板2移動，使相機5的視野對準印刷基板2上的既定的檢查區域(測量對象範圍)。此外，檢查區域係為以相機5的視野大小為1單位將印刷基板2的表面預先分割當中的1個區域。
接著，控制裝置6切換控制兩照明裝置4A、4B的液晶格柵4Ab、4Bb，將形成於該兩液晶格柵4Ab、4Bb的第1格柵及第2格柵之位置設成既定的基準位置(相位「0°」的位置)。
當液晶格柵4Ab、4Bb的切換設定一完成，控制裝置6係於既定的時序Ta1在相位「0°」的第1光圖案之下開始第1次的第1拍攝處理。具體言之，使第1照明裝置4A的第1光源4Aa發光，開始第1光圖案的照射，並驅動控制相機5，開始拍攝被照射該第1光圖案的檢查區域部份。此第1拍攝處理的程序在後述之第2~4次的第1拍攝處理中亦相同。
接著，控制裝置6係在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Ta2，結束第1次的第1拍攝處理。亦即，結束第1光圖案的照射，並結束該第1光圖案的第1次的拍攝。此處，藉相機5所拍攝的影像資料係朝影像資料記憶裝置24轉送並被記憶(以下同樣)。
同時，控制裝置6係於時序Ta2開始第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之切換處理。具體言之，開始將形成於第1液晶格柵4Ab的第1格柵的位置從基準位置(相位「0°」的位置)朝第1光圖案的相位偏移4分之1間距的相位「90°」的位置切換之處理。
接著，控制裝置6係於第1液晶格柵4Ab切換中途即時序Ta3，在相位「0°」的第2光圖案之下開始第1次的第2拍攝處理。具體言之，使第2照明裝置4B的第2光源4Ba發光，開始第2光圖案的照射，並驅動控制相機5，開始拍攝被照射該第2光圖案的檢查區域部份。此第2拍攝處理的程序在後述之第2次的第2拍攝處理中亦相同。
接著，控制裝置6係在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Ta4，結束第1次的第2拍攝處理。亦即，結束第2光圖案的照射，並結束該第2光圖案的第1次的拍攝。
接著，控制裝置6係在從第1液晶格柵4Ab的切換處理開始(時序Ta2)經既定時間(本實施形態中為20msec)後的時序Ta5，結束該切換處理。
在第1液晶格柵4Ab的切換處理完成的同時，控制裝置6係在時序Ta5於相位「90°」的第1光圖案之下開始第2次的第1拍攝處理，在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Ta6，結束第2次的第1拍攝處理。
在第2次的第1拍攝處理結束的同時，控制裝置6係於時序Ta6開始兩照明裝置4A、4B的液晶格柵4Ab、4Bb之切換處理。具體言之，開始將形成於第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab的第1格柵的位置從相位「90°」的位置朝第1光圖案的相位偏移4分之1間距的相位「180°」的位置切換之處理。又，開始將形成於第2照明裝置4B的第2液晶格柵4Bb的第2格柵的位置從基準位置(相位「 0°」的位置)朝第2光圖案的相位偏移2分之1間距的相位「180°」的位置切換之處理。
在液晶格柵4Ab、4Bb的切換處理完成的同時，控制裝置6係在時序Ta7於相位「180°」的第1光圖案之下開始第3次的第1拍攝處理，在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Ta8，結束第3次的第1拍攝處理。
同時，控制裝置6係於時序Ta8形成於第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之切換處理。具體言之，開始將形成於第1液晶格柵4Ab的第1格柵的位置從相位「180°」的位置朝第1光圖案的相位偏移4分之1間距的相位「270°」的位置切換之處理。
接著，控制裝置6係於第1液晶格柵4Ab切換中途即時序Ta9，在相位「180°」的第2光圖案之下開始第2次的第2拍攝處理。接著，控制裝置6係於從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Ta10結束第2次的第2拍攝處理。
接著，控制裝置6係於從第1液晶格柵4Ab的切換處理開始(時序Ta8)經既定時間(本實施形態中為20msec)後的時序Ta11結束該切換處理。
在第1液晶格柵4Ab的切換處理完成的同時，控制裝置6係於時序Ta12在相位「270°」的第1光圖案之下開始第4次的第1拍攝處理，於從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Ta12結束第4次的第1拍攝處理。
如此，藉由進行上述一連串的拍攝處理，取得在4種相位變化的第1光圖案之下所拍攝的4畫面份之影像資料，及在2種相位變化的第2光圖案之下所拍攝的2畫面份之影像資料，合計6畫面份之影像資料。
接著，控制裝置6首先依據在第1光圖案之下所取得之4種的影像資料，執行利用相移法進行高度測量(三維測量)的第1測量處理。藉由用以執行此第1測量處理的機能來構成本實施形態中之第1測量手段。
詳言之，控制裝置6係利用相移法，從上述4種的影像資料(各畫素之輝度值)算出各畫素的第1光圖案的相位θ1。
此處，上述4種的影像資料之各畫素的輝度值V10、V11、V12、V13可利用下述式(H1')、(H2')、(H3')、(H4')表示。
[數17]V10=Asinθ 1+B‧‧‧(H1′) V11=Asin(θ 1+90°)+B=Acosθ 1+B‧‧‧(H2′) V12=Asin(θ 1+180°)+B=-Asinθ 1+B‧‧‧(H3′) V13=Asin(θ 1+270°)+B=-Acosθ 1+B‧‧‧(H4′)其中，A：增益、B：偏移量
當將上述式(H1')、(H2')、(H3')、(H4')針對相位θ1求解時，可導出下述式(H11)。
[數18]θ 1=tan-1{(V10-V12)/(V11-V13)}‧‧(H11)
接著，控制裝置6係將上述那樣算出的各畫素的相位θ1與記憶在上述設定資料記憶裝置26的校正資 料(基於校正之各畫素的相位)作比較，算出具有同一相位的畫素之偏移量，依據三角測量原理，算出檢查區域的各畫素(x,y)的高度資料(z)，將此高度資料(z)記憶在演算結果記憶裝置25。
例如，在被測量畫素(x,y)中之實測值(相位)是「10°」的情況，檢出該「10°」的值是位在依校正所記憶的資料上的哪個位置。此處，若在與被測量畫素(x,y)相鄰3個畫素處存在有「10°」，則其意味著光圖案的條紋偏移3個畫素。而且，可依據光圖案的照射角度、光圖案的條紋的偏移量，利用三角測量原理求出被測量畫素(x,y)的高度資料(z)。
但是，藉由上述第1測量處理所獲得之測量資料中，關於未充分照射第1光圖案而難藉由該第1測量處理進行測量的區域(畫素)係成為資料的遺漏部份。
接著，控制裝置6係執行補足上述資料的遺漏部份之處理。具體言之，首先依據上述第1測量處理的測量結果，特定藉該第1測量處理難以測量的區域(資料的遺漏部份)。接著，關於此區域，依據在第2光圖案之下所取得之上述2種的影像資料，執行利用相移法進行高度測量(三維測量)的第2測量處理。藉由執行此第2測量處理的機能來構成本實施形態中的第2測量手段。
詳言之，控制裝置6係利用相移法並基於上述2種的影像資料(各畫素之輝度值)與記憶在上述設定資料記憶裝置26的校正資料(基於校正之各畫素的比例常數K)，算出各畫素的第2光圖案的相位θ2。
此處，在設成上述2種的影像資料之各畫素的輝度值V20、V21之情況，各畫素的第2光圖案的相位θ2可依據上述式(15)利用下述式(H12)表示。
θ2=sin-1〔(V20-V21)/K(V20+V21)〕‧‧‧(H12)
其中，K：比例常數。
接著，控制裝置6係與上述第1測量處理同樣，將上述那樣算出的各畫素的相位θ2與記憶在上述設定資料記憶裝置26的校正資料(基於校正之各畫素的相位)作比較，算出具有同一相位的畫素之偏移量，依據三角測量原理，算出檢查區域的各畫素(x,y)的高度資料(z)，將此高度資料(z)記憶在演算結果記憶裝置25。
接著，在上述第2測量處理結束後，控制裝置6係進行合成藉上述第1測量處理所得之測量資料(測量值)和藉第2測量處理所得之測量資料(測量值)之合成處理。藉此，補足藉第1測量處理所得之測量資料的資料遺漏部份而完成針對於既定的檢查區域全區的各畫素無遺漏的測量資料。因此，依此合成處理而構成本實施形態中之測量值取得手段。
接著，控制裝置6係依據如此獲得之既定的檢查區域的測量資料，檢出比基準面高的焊膏之印刷範圍，藉由將在此範圍內的各部位之高度積分，算出被印刷之焊膏的量。
接著，控制裝置6係將如此求得之焊膏的位置、面積、高度或量等之資料和預先被記憶在設定資料 記憶裝置26之基準資料作比較判定，藉由此比較結果是否在容許範圍內而判定在其檢查區域中之焊膏的印刷狀態的良否。
在進行此處理的期間，控制裝置6係驅動控制馬達15、16使印刷基板2朝下一檢查區域移動，以後，上述一連串的處理在所有檢查區域反復進行以結束印刷基板2整體的檢查。
如以上所詳述，依據本實施形態，藉由從2方向照射光圖案，可使印刷基板2不產生沒被照射光圖案之影子的部份。然後，關於兩光圖案中可藉由第1光圖案的照射進行測量之區域，取得該第1光圖案的測量精度高的第1測量處理的測量結果作為該區域的測量值，另一方面，關於難以藉由該第1光圖案的照射進行測量之區域，取得另一者的第2光圖案的第2測量處理的測量結果作為該區域的測量值，藉此可取得整體測量精度高且無資料的遺漏部份之測量資料。結果，可謀求提升測量精度。
又，本實施形態中，在進行基於第2光圖案的照射的測量之際，利用藉由既定的拍攝條件所決定之增益A及偏移量B的關係〔例如A=K(比例常數)×B〕和從影像資料上的各畫素(x,y)之輝度值V(x,y)所決定之該畫素(x,y)的增益A(x,y)或偏移量B(x,y)的值，可基於在2種相位變化的光圖案之下所拍攝的2種的影像資料利用相移法進行高度測量。
依此，本實施形態中，針對既定的檢查區域，由於若在4種相位變化的第1光圖案之下執行4次的第1 拍攝處理，在2種相位變化的第2光圖案之下執行2次的第2拍攝處理即可，故拍攝次數成為共計6次。因此，比起針對各光圖案各4次而總計需要8次的拍攝之習知技術，整體的拍攝次數少即可解決，可縮短拍攝時間。結果，能以更短時間實現更高精度的測量。
再者，本實施形態中，建構成：於執行了在第1光圖案之下的1次份量之第1拍攝處理後，在第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之切換處理的中途可執行在第2光圖案之下的1次份量之第2拍攝處理。
藉此，可縮短直到既定的檢查區域的所有拍攝處理(最後的拍攝處理)結束為止所需時間。例如，本實施形態中，直到既定的檢查區域的所有拍攝處理結束為止所需時間為，〔第1拍攝處理所需時間[2ms]×4回〕+〔第1液晶格柵4Ab的切換處理所需時間[20ms]×3回〕=合計[68msec]。
而且，本實施形態中，在進行至少既定的檢查區域的資料取得的期間(在進行上述一連串的拍攝處理的期間)，印刷基板2停止，相機5與印刷基板2之位置關係被固定。亦即，因為在拍攝中相機5與印刷基板2之位置關係沒變化，故可防止檢查區域之狹小化等。結果，如本實施形態在設定有多數的檢查區域之印刷基板2的測量中，可謀求縮短測量時間。
〔第2實施形態〕
以下，針對第2實施形態參照圖面作說明。此外，針對和第1實施形態相同構成部份，賦予相同符號，省略其 詳細的說明。
上述第1實施形態中，雖建構成將各畫素中之光圖案的增益A及偏移量B的關係(比例常數K)藉由預先校正而求取，但取代第1實施形態的構成，於第2實施形態中，建構成：基於在實測時拍攝之前述2種相位變化的第2光圖案之下所拍攝的2種的影像資料來求取第2光圖案的增益A及偏移量B的關係(比例常數K)。
在其程序方面，首先使用上述式(12)針對影像資料的全畫素求出偏移量B。接著，抽出其中偏移量B的值為一致的畫素之輝度值V(=Asinθ+B)，作成其直方圖。將其一例顯示在圖6、7的表。其中圖6、7係例示增益A設為「1」，偏移量B設為「0」的情況。圖6係將輝度值V劃分成「0.1」寬度的資料區間，表示其資料區間所含之輝度值數的分布表，圖7係將其繪製的直方圖。
接著，利用依據此直方圖來決定輝度值的最大值VMAX與最小值VMIN。「sinθ」之特性，可將在上述直方圖中產生的2個峰值分別決定為輝度值的最大值VMAX與最小值VMIN。在圖6、7所示的例中，輝度值V進入「-1.0~-0.9」及「0.9~1.0」的資料區間之輝度值V的個數分別成為「51」，在此成為2個峰值。
接著，依據輝度值的最大值VMAX與最少值VMIN算出增益A及偏移量B。如同上述，輝度值的最大值VMAX與最少值VMIN的平均值成為偏移量B，最大值VMAX與最少值VMIN之差的一半成為增益A。亦即，如圖7所示，2個峰值的中間值成為偏移量B，2個峰值的寬度的一半 成為增益A。
基於如此獲得之增益A和偏移量B的值可決定比例常數K〔參照上述式(3)〕。因此，藉由用以決定比例常數K的上述一連串的處理機能來構成本實施形態中的關係掌握手段。
依據本實施形態，獲得和上述第1實施形態同樣的作用效果。又，可省略像上述第1實施形態之校正的功夫，可謀求更縮短測量時間。
此外，本實施形態中，係建構成基於在相位差180°的2種的第2光圖案之下所拍攝的2種的影像資料，針對影像資料的全畫素求取比例常數K等，惟，不受此所限，例如亦可建構成基於在相位差90°的2種的第2光圖案之下所拍攝的2種的影像資料求取比例常數K等。又，亦可建構成不在影像資料的全畫素，而是在被測量畫素的周邊等影像資料之一部份的範圍求取比例常數K等。
〔第3實施形態〕
以下，針對第3實施形態參照圖面作說明。此外，針對和第1實施形態相同構成部份，賦予相同符號，省略其詳細的說明。
本實施形態中，各檢查區域所進行的檢查常式(routine)不同於上述第1實施形態。針對本實施形態的檢查常式，參照圖8的時序圖詳細說明。
控制裝置6，係首先驅動控制馬達15、16使印刷基板2移動，使相機5的視野對準印刷基板2上的既定的檢查區域(測量對象範圍)。
接著，控制裝置6切換控制兩照明裝置4A、4B的液晶格柵4Ab、4Bb，將形成於該兩液晶格柵4Ab、4Bb的第1格柵及第2格柵之位置設成既定的基準位置(相位「0°」的位置)。
液晶格柵4Ab、4Bb的切換設定一完成，控制裝置6係於既定的時序Tb1在相位「0°」的第2光圖案之下開始第1次的第2拍攝處理，在經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Tb2，結束第1次的第2拍攝處理。
在此第2拍攝處理結束的同時，控制裝置6係於時序Tb2在相位「0°」的第1光圖案的下開始第1次的第1拍攝處理，在經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Tb3，結束第1次的第1拍攝處理。
在此第1拍攝處理結束的同時，控制裝置6係於時序Tb3開始兩照明裝置4A、4B的液晶格柵4Ab、4Bb之切換處理。具體言之，開始將形成於第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之第1格柵的位置從基準位置(相位「0°」的位置)朝第1光圖案的相位偏移4分之1間距的相位「90°」的位置切換之處理。又，開始將形成於第2照明裝置4B的第2液晶格柵4Bb之第2格柵的位置從基準位置(相位「0°」的位置)朝第2光圖案的相位偏移2分之1間距的相位「180°」的位置切換之處理。
接著，控制裝置6係於從液晶格柵4Ab、4Bb的切換處理開始(時序Tb3)經既定時間(本實施形態中為20msec)後的時序Tb4結束該切換處理。
在液晶格柵4Ab、4Bb的切換處理完成的同時 ，控制裝置6係於時序Tb4在相位「90°」的第1光圖案之下開始第2次的第1拍攝處理，在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Tb5，結束第2次的第1拍攝處理。
同時，控制裝置6在時序Tb5開始第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab的切換處理。具體言之，開始將形成於第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之第1格柵的位置從相位「90°」的位置朝第1光圖案的相位偏移4分之1間距的相位「180°」的位置切換之處理。
接著，控制裝置6係在從第1液晶格柵4Ab的切換處理開始(時序Tb5)經既定時間(本實施形態中為20msec)後的時序Tb6，結束該切換處理。
在第1液晶格柵4Ab的切換處理完成的同時，控制裝置6係在時序Tb6於相位「180°」的第1光圖案之下開始第3次的第1拍攝處理，在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Tb7，結束第3次的第1拍攝處理。
同時，控制裝置6係在時序Tb7開始第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之切換處理。具體言之，開始將形成於第1照明裝置4A的第1液晶格柵4Ab之第1格柵的位置從相位「180°」的位置朝第1光圖案的相位偏移4分之1間距的相位「270°」的位置切換之處理。
接著，控制裝置6係在從第1液晶格柵4Ab的切換處理開始(時序Tb7)經既定時間(本實施形態中為20msec)後的時序Tb8，結束該切換處理。
在第1液晶格柵4Ab的切換處理完成的同時，控制裝置6係在時序Tb8於相位「270°」的第1光圖案之下開始第4次的第1拍攝處理，在從拍攝開始經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Tb9，結束第4次的第1拍攝處理。
在此第1拍攝處理結束的同時，控制裝置6係在時序Tb9於相位「180°」的第2光圖案之下開始第2次的第2拍攝處理，在經既定時間(本實施形態中為2msec)後的時序Tb10，結束第2次的第2拍攝處理。
如此，藉由進行上述一連串的拍攝處理，取得在4種相位變化的第1光圖案之下所拍攝的4畫面份的影像資料，及在2種相位變化的第2光圖案之下所拍攝的2畫面份的影像資料，合計6畫面份的影像資料。
如以上所詳述，依據本實施形態，和上述第1實施形態同樣地，可縮短直到既定的檢查區域的所有拍攝處理(最後的拍攝處理)結束為止所需時間。例如，本實施形態中，直到既定的檢查區域的所有拍攝處理結束為止所需時間為，〔第1拍攝處理所需時間[2ms]×4回〕+〔第1液晶格柵4Ab的切換處理所需時間[20ms]×3回〕+〔第2拍攝處理所需時間[2ms]×2回〕=合計[72msec]。
此外，不受上述實施形態的記載內容所限，亦可按例如下那樣實施。當然亦可為以下未例示之其他的應用例、變更例。
(a)上述實施形態中，雖將三維測量裝置具體化成測量被印刷形成於印刷基板2的焊膏之高度的基板 檢查裝置1，惟，不受此所限，例如亦可具體化成測量包含印刷於基板上的焊點凸塊或構裝於基板上的電子零件等在內之其他者的高度之構成。
(b)上述實施形態中，建構成將用以將源自光源4Aa、4Ba的光轉換成條紋狀的光圖案之格柵以液晶格柵4Ab、4Bb來構成，並透過對其切換控制而使光圖案的相位相移。惟，不受此所限，亦可建構成：例如使格柵構件利用壓電致動器等的移送手段移送，使光圖案的相位相移。
(c)上述實施形態中，在第1測量處理中雖建構成依據在相位每差90°的4種的第1光圖案之下所拍攝的4種的影像資料，利用相移法進行三維測量，惟，不受此所限，亦可建構成依據例如在相位每差120°的3種的第1光圖案之下所拍攝的3種的影像資料進行三維測量。亦即，在第1光圖案之下的拍攝次數即「第1既定數」只要是至少利用相移法可執行三維測量之數即可。
(d)上述實施形態中，在第2測量處理中建構成依據在相位差180°的2種的光圖案之下所拍攝的2種的影像資料進行三維測量。亦可予以取代而建構成，例如基於在相位差90°的2種的光圖案之下所拍攝的2種的影像資料進行三維測量。於此情況，藉由使用上述式(23)、(27)，利用在2種的影像資料上的各畫素中之輝度值V20、V21和已知的比例常數K，可算出各畫素中第2光圖案的相位θ2。
依據此構成，因為可依據使用了「tan-1」的 演算式求出相位θ2，故可在-180°~180°的360°範圍測量高度，能更加大測量範圍。
當然，除此之外，滿足上述式(1)、(2)、(3)的關係即可，亦可採用其他的構成。在獲得相位θ2的通式方面，舉出上述式(9)作為一例〔參照[數9]〕。
(e)上述實施形態中，係在第2測量處理中基於在相位不同的2種的光圖案之下所拍攝的2種的影像資料進行三維測量之構成，但在第2光圖案之下的拍攝次數不受此所限。亦即，在第2光圖案之下的拍攝次數即「第2既定數」只要是至少比在第1光圖案之下的拍攝次數即「第1既定數」還少的數即可。在例如在基於第1光圖案的測量時，基於4種的相位的第1光圖案之下所拍攝的4種的影像資料進行高度測量之構成的情況，亦可建構成於基於第2光圖案的測量時，基於3種的相位的第2光圖案之下所拍攝的3種的影像資料，利用增益A與偏移量B之關係(比例常數K)進行高度測量。此情況與習知相比，係能依據較簡單的演算式求出第2光圖案的相位θ2，處理可高速化。
(f)上述第1實施形態中，係基於在相位差90°的4種的光圖案之下所拍攝的4種的影像資料進行校正之構成，惟，不受此所限，例如亦可建構成：基於在相位不同的3種的光圖案之下所拍攝的3種的影像資料進行校正。
又，亦可作成在進行校正之際改變光源的輝度進行複數次之構成。若作成此構成，可求到下述式(28) 所示的相機5的暗電流(偏移量)。
A=KB+C‧‧‧(28)
其中，A：增益，B：偏移量，C：相機的暗電流(偏移量)，K：比例常數。
或，增益A與偏移量B之關係亦可不是列式來求出，而是藉由作成表示增益A與偏移量B之關係的數學用表、表格資料，可從增益A求出偏移量B或從偏移量B求出增益A之構成。
又，取代校正，利用於第1測量處理中使用的在上述4種的第1光圖案之下所拍攝的4種的影像資料來求出增益A與偏移量B之關係(比例常數K)亦可。因此，藉由用以進行此處理的機能來構成本實施形態中之關係掌握手段。
(g)第1拍攝處理及第2拍攝處理的執行順序、液晶格柵4Ab、4Bb的切換處理之執行時序等、檢查常式係不受上述第1實施形態(參照圖3)、第3實施形態(參照圖8)所限，可因應第1拍攝處理、第2拍攝處理的執行次數等作各種組合。
例如上述第1實施形態中，建構成在第1次的第2拍攝處理結束之後，於經既定時間後(例如11msec後)同時開始兩液晶格柵4Ab、4Bb的切換處理，惟，不受此所限，亦可建構成在例如第2拍攝處理結束的同時或經既定時間後(例如4msec後)單獨開始第2液晶格柵4Bb之切換處理。亦即，亦可建構成重複進行第1液晶格柵4Ab的切換處理和第2液晶格柵4Bb的切換處理的一部份，並在 第2液晶格柵4Bb的切換處理中進行第2次的第1拍攝處理。但是，在謀求抑制第1測量處理之測量精度的降低方面，如同上述第1實施形態，以第2液晶格柵4Bb的切換處理和第1液晶格柵4Ab的切換處理被同時進行者較佳。
(h)上述實施形態中建構成：主要使用測量精度高的第1測量處理的測量結果，而關於一部份的資料遺漏部份，透過以第2測量處理的測量結果補足，取得整體測量精度高且資料的遺漏部份少的測量資料，惟，不受此所限，亦可建構成：主要使用第2測量處理的測量結果，而關於一部份的資料遺漏部份，以第1測量處理的測量結果補足。
又，上述實施形態中建構成：僅有關難以藉由第1測量處理進行測量之區域執行第2測量處理，惟，不受此所限，亦可建構成：在既定的檢查區域中之基於第2光圖案之下所取得之2種的影像資料可進行三維測量的所有區域中執行第2測量處理，從那抽出與藉第1測量處理難以測量的區域對應的資料。
(i)上述實施形態中，針對相機5的拍攝處理只記載「拍攝」，更詳言之，係被分成碰到實質的拍攝之曝光處理與已拍攝的資料之轉送處理。
因此，在作為相機5是使用一般的CCD相機等之情況，因為在曝光中無法進行資料轉送，所以在如上述第3實施形態連續地進行第1拍攝處理及第2拍攝處理之情況，如圖9(a)所示的例子般交互地反復進行曝光處理和資料轉送處理。
相對地，在相機5方面是使用CMOS相機或具備於資料轉送中可曝光的機能的CCD相機等之情況，因為可將曝光處理和資料轉送處理在一部份重複地進行，故可謀求縮短拍攝時間甚至是測量時間。
具體言之，在曝光時間被設定比轉送時間還短之情況，如圖9(b)所示的例子般，於轉送依第1曝光所取得之第1資料中，若在第2曝光尚未結束之即將結束的時間點開始該第2曝光，則可防止依第1曝光所取得之資料的消失並極力縮短第1拍攝處理及第2拍攝處理所需拍攝時間。
另一方面，在曝光時間被設定成比轉送時間長的情況，如圖9(c)所示的例子般，若在第1曝光結束後隨即開始第2曝光，則可極力縮短第1拍攝處理及第2拍攝處理所需拍攝時間。
(j)上述實施形態中，照明裝置4A、4B是在沿著相機5的拍攝方向即大致鉛直方向(Z軸方向)觀察的平面圖(X-Y平面)中，在包夾印刷基板2相對向的位置上以印刷基板2為中心在平面圖上等間隔配置。惟，不受此所限，照明裝置4A、4B的配置係以不產生未被照射各光圖案之影子的部份之方式可因應印刷基板2之構成等而任意地設定。
例如上述實施形態中，建構成各光圖案是被以和矩形狀的印刷基板2之一對的邊平行地沿著X軸方向照射。亦即，光圖案的條紋是和X軸方向正交且和Y軸方向平行地被照射。惟，不受此所限，亦可建構成例如光 圖案的條紋是被以相對於矩形狀的印刷基板2、相機5的拍攝視野(檢查區域)的各邊傾斜(例如平面圖中斜向45度)交叉的方式照射。
(k)上述實施形態中雖未針對各光圖案的週期(條紋間距)特別言及，但亦可作成使各光圖案的週期不同的構成。例如亦可作成將第1光圖案設為第1週期(例如600μm)的光圖案，並將第2光圖案設為比前述第1週期長的第2週期(例如800μm)的光圖案。如此若組合週期短的第1光圖案和週期長的第2光圖案進行測量，則能獲得利用長週期的第2光圖案之好處即能擴大可測量的高度範圍，及能實現利用週期短的第1光圖案之好處即可進行解析度高的高精度測量之雙重效果。結果，可在寬廣動態範圍進行高解析度的測量，能實現更高精度的測量。
此處，不僅是1個種類1個方向，亦可建構成從複數方向照射同種(同週期)的光圖案。例如，亦可建構成具備2組如上述實施形態般相對向配置的第1照明裝置4A及第2照明裝置4B，將該4個照明裝置4A、4B以印刷基板2為中心以90°間隔作配置。
但是，就此構成而言，亦有導致發生僅第1光圖案或第2光圖案任一方能被照射的區域之虞。
對此，亦可建構成例如第1照明裝置4A及第2照明裝置4B分別具備2個，並且該第1照明裝置4A及第2照明裝置4B以印刷基板2為中心以90°間隔交互配置構成，亦即以2個第1照明裝置4A相對向的方式配置，並且2個第2照明裝置4B相對向的方式配置。
藉由此構成，可極力減少產生只照射第1光圖案或第2光圖案其中一方的區域之比例。結果，可進行更高精度的測量。
1‧‧‧基板檢查裝置
2‧‧‧印刷基板
3‧‧‧載置台
4A‧‧‧第1照明裝置
4Aa‧‧‧第1光源
4Ab‧‧‧第1液晶格柵
4B‧‧‧第2照明裝置
4Ba‧‧‧第2光源
4Bb‧‧‧第2液晶格柵
5‧‧‧相機
6‧‧‧控制裝置
15、16‧‧‧馬達

Claims (24)

  1. 一種三維測量裝置，建構成具備：第1照射手段，具有：發出既定的光之第1光源；及將源自該第1光源的光轉換成具有條紋狀的光強度分布的第1光圖案之第1格柵，該第1光圖案可從第1位置照射被測量物；第1格柵控制手段，控制前述第1格柵的移送或切換，使從前述第1照射手段照射的前述第1光圖案的相位進行第1既定數種變化；第2照射手段，具有：發出既定的光之第2光源；及將源自該第2光源的光轉換成具有條紋狀的光強度分布的第2光圖案之第2格柵，該第2光圖案可從不同於前述第1位置的第2位置照射被測量物；第2格柵控制手段，控制前述第2格柵的移送或切換，使從前述第2照射手段照射的前述第2光圖案的相位進行比前述第1既定數種還少的第2既定數種變化；拍攝手段，可拍攝源自被照射前述第1光圖案或第2光圖案之前述被測量物的反射光；及影像處理手段，基於藉前述拍攝手段所拍攝的影像資料並利用相移法可執行前述被測量物的三維測量，在執行第1拍攝處理及第2拍攝處理當中一者的拍攝處理後，於未等待該一者的拍攝處理的前述第1格柵或前述第2格柵的移送或切換處理完成之下，可執行前述兩拍攝處理中另一者的拍攝處理，該第1拍攝處理係照射前述第1既定數種相位變化的前述第1光圖案所進 行之前述第1既定數次的拍攝處理中的1次份量，該第2拍攝處理係照射前述第2既定數種相位變化的前述第2光圖案所進行之前述第2既定數次的拍攝處理中的1次份量，該三維測量裝置之特徵為：前述影像處理手段具備：第1測量手段，基於藉前述第1既定數次的第1拍攝處理所取得之前述第1既定數種的影像資料可執行前述被測量物的三維測量；第2測量手段，基於藉前述第2既定數次的第2拍攝處理所取得之前述第2既定數種的影像資料，利用依既定的拍攝條件所決定的增益及偏移量的關係與從前述影像資料上的各畫素之輝度值所決定之該畫素的增益或偏移量的值，可執行前述被測量物的三維測量；及測量值取得手段，關於前述兩光圖案中可藉其中一者的光圖案的照射進行測量之區域，取得前述兩測量手段中該一者的光圖案的測量手段的測量結果作為該區域的測量值，且關於難藉該一者的光圖案的照射進行測量之區域，取得前述兩光圖案中另一者的光圖案的測量手段的測量結果作為該區域的測量值。
  2. 如請求項1之三維測量裝置，其中前述增益及偏移量的關係為，前述增益與前述偏移量相互呈無歧異決定的關係。
  3. 如請求項1之三維測量裝置，其中前述增益及偏移量的關係為，前述增益與前述偏移 量呈比例關係。
  4. 如請求項1之三維測量裝置，其中前述第2既定數為2的情況中，在將2種相位變化的前述第2光圖案之相對相位關係分別設為0、γ時的2種的影像資料的各畫素之輝度值分別設為V0、V1的情況，前述第2測量手段係於進行三維測量之際，算出滿足下述式(1)、(2)、(3)的關係之相位θ，V0=Asinθ+B．．．(1) V1=Asin(θ+γ)+B．．．(2) A=KB．．．(3)其中，γ≠0，A：增益，B：偏移量，K：比例常數。
  5. 如請求項2之三維測量裝置，其中前述第2既定數為2的情況中，在將2種相位變化的前述第2光圖案之相對相位關係分別設為0、γ時的2種的影像資料的各畫素之輝度值分別設為V0、V1的情況，前述第2測量手段係於進行三維測量之際，算出滿足下述式(1)、(2)、(3)的關係之相位θ，V0=Asinθ+B．．．(1) V1=Asin(θ+γ)+B．．．(2) A=KB．．．(3)其中，γ≠0，A：增益，B：偏移量，K：比例常數。
  6. 如請求項3之三維測量裝置，其中前述第2既定數為2的情況中， 在將2種相位變化的前述第2光圖案之相對相位關係分別設為0、γ時的2種的影像資料的各畫素之輝度值分別設為V0、V1的情況，前述第2測量手段係於進行三維測量之際，算出滿足下述式(1)、(2)、(3)的關係之相位θV0=Asinθ+B．．．(1) V1=Asin(θ+γ)+B．．．(2) A=KB．．．(3)其中，γ≠0，A：增益，B：偏移量，K：比例常數。
  7. 如請求項4之三維測量裝置，其中設成γ=180°或γ=90°。
  8. 如請求項5之三維測量裝置，其中設成γ=180°或γ=90°。
  9. 如請求項6之三維測量裝置，其中設成γ=180°或γ=90°。
  10. 如請求項1之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  11. 如請求項2之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  12. 如請求項3之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  13. 如請求項4之三維測量裝置，其中 具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  14. 如請求項5之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  15. 如請求項6之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  16. 如請求項7之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  17. 如請求項8之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  18. 如請求項9之三維測量裝置，其中具備記憶手段，記憶藉由預先校正所算出之前述增益及偏移量的關係。
  19. 如請求項1之三維測量裝置，其中具備關係掌握手段，該關係掌握手段依據藉前述第1既定數次的第1拍攝處理所取得之前述第1既定數種的影像資料，掌握前述增益及偏移量的關係。
  20. 如請求項1之三維測量裝置，其中具備關係掌握手段，該關係掌握手段依據藉前述第2既定數次的第2拍攝處理所取得之前述第2既定數種的影像資料，掌握前述增益及偏移量的關係。
  21. 如請求項1之三維測量裝置，其中前述測量值取得手段為，關於可藉前述第1光圖案的照射進行測量之區域，取得前述第1測量手段的測量結果作為該區域的測量值，且關於難藉該第1光圖案的照射進行測量之區域，取得另一者的第2光圖案的第2測量手段的測量結果做為該區域的測量值。
  22. 如請求項1之三維測量裝置，其中在前述第1拍攝處理結束的同時，可開始該第1拍攝處理的前述第1格柵的移送或切換處理，在前述第1格柵的移送或切換處理結束的同時，可開始前述第1拍攝處理，建構成在前述第1格柵的移送或切換處理的執行中，可執行前述第2拍攝處理。
  23. 如請求項1至22中任一項之三維測量裝置，其中至少前述第2格柵的移送或切換處理，和前述第1格柵的移送或切換處理同時進行。
  24. 如請求項1之三維測量裝置，其中前述被測量物為印刷於印刷基板的焊膏，或形成於晶圓基板的焊點凸塊。
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