(57)【要約】【課題】テレセントリック光学系を用いることなく、計測精度の向上を図ることのできる三次元計測装置を提供する。【解決手段】三次元計測装置を具備する基板検査装置は、クリームハンダの印刷されてなるプリント基板の表面に対し縞状のパターン光を照射するための照射装置４と、プリント基板上の照射された部分を撮像するためのＣＣＤカメラ５と、ＣＣＤカメラ５により撮像された画像データに基づきプリント基板上の各座標位置における高さ計測を行う制御装置とを備えている。また、制御装置は、ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａの画角により生じ得る計測データのズレを、ＣＣＤカメラ５の高さＬcoと、プリント基板に対し照射されるパターン光の照射角αとに基づき補正する。【選択図】      図３
2010164350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも被計測物に対し、縞状の光強度分布を有するパターン光を照射可能な照射手段と、
前記パターン光の照射された被計測物からの反射光を撮像可能な撮像手段と、
少なくとも前記撮像手段にて撮像された画像データに基づき、前記被計測物上の各座標位置における高さ計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段により計測された前記被計測物上の計測対象点の座標データ及び高さデータに対し前記撮像手段のレンズの画角により生じ得るズレを、少なくとも前記撮像手段の高さ情報と、前記被計測物に対し照射されるパターン光の照射角情報とに基づき補正する補正演算手段を備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記被計測物の真上に配置され、
前記照射手段は、前記被計測物の斜め上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
前記補正演算手段は、
前記被計測物の撮像面を基準とした前記撮像手段のレンズの主点の高さＬcoを前記撮像手段の高さ情報とし、前記照射手段から照射されるパターン光の光線と前記撮像面とのなす角αを前記パターン光の照射角情報とし、
下記式（ａ），（ｂ）により、前記計測対象点の見かけの座標データＸ1及び高さデータＺ1から、前記計測対象点の真の座標データＸ0及び高さデータＺ0を算出することを特徴とする請求項２に記載の三次元計測装置。
Ｚ0＝Ｌco・Ｚ1／（Ｌco−Ｘ1・ｔａｎα）  ・・・（ａ）
Ｘ0＝｛１−Ｚ1／（Ｌco−Ｘ1・ｔａｎα）｝Ｘ1  ・・・（ｂ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリント基板上に電子部品を実装する場合、まずプリント基板上に配設された所定の電極パターン上にクリームハンダが印刷される。次に、該クリームハンダ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ハンダ付けが行われる。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ハンダ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。
【０００３】
近年、光を用いたいわゆる非接触式の三次元計測装置が種々提案されており、例えば、位相シフト法や空間コード化法等を用いた三次元計測装置に関する技術が提案されている。
【０００４】
上記技術における三次元計測装置においては、ＣＣＤカメラ等の撮像手段が用いられる。例えば、位相シフト法を用いる場合には、光源と正弦波パターンのフィルタとの組み合わせからなる照射手段により、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を被計測物（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ＣＣＤカメラ等を用いて観測する。この場合、画面上の所定の計測対象点の光の強度Ｉは下式で与えられる。
【０００５】
Ｉ＝ｅ＋ｆ・ｃｏｓφ
［但し、ｅ：直流光ノイズ（オフセット成分）、ｆ：正弦波のコントラスト（反射率）、φ：物体の凹凸により与えられる位相］
このとき、パターン光を移動させて、位相を例えば４段階（φ＋０、φ＋π／２、φ＋π、φ＋３π／２）に変化させ、これらに対応する強度分布Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をもつ画像を取り込み、下記式に基づいて変調分αを求める。
【０００６】
α＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝
この変調分αを用いて、プリント基板（クリームハンダ）上の計測対象点の３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が求められ、もってクリームハンダの三次元形状、特に高さが計測される。
【０００７】
ところが、三次元計測装置の分野においては、撮像手段のカメラレンズの画角に起因して、計測対象点の高さに応じて、その高さデータやプリント基板上における座標データが実際と異なって計測されることがある。その原理について図４を参照して説明する。
【０００８】
上述したように、所定の照射手段から発せられたパターン光Ｈは所定の計測対象点にて反射し、その反射光Ｈ´がカメラ７０によって撮像される。これに基づき、三次元計測装置は、例えば撮像面（基準面）Ｍ上にある計測対象点Ａ（Ｘ0，Ｚ0）を、撮像面中心Ｏ´からＸ0離れた位置で高さＺ0（＝０）にある点と認識することができる。
【０００９】
これに対し、撮像面中心Ｏ´からＸ1離れた位置で撮像面ＭからＺ1離れた高さにある計測対象点Ｂ（Ｘ1，Ｚ1）で反射した反射光Ｈ´がカメラ７０に入射した場合、三次元計測装置は、当該反射光Ｈ´を、撮像面中心Ｏ´からＸ0離れた位置で高さＺ2にある計測対象点Ｃ（Ｘ0，Ｚ2）で反射したものと誤認する。これが計測誤差となり、計測精度の低下を招くおそれがあった。
【００１０】
このような不具合を解消するため、三次元計測装置の分野においては、計測対象点の高さによって、計測される高さデータや撮像面上における座標データにズレが生じないテレセントリック光学系が使用されることがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００３−５２７５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記テレセントリック光学系は非常に大型で且つ高価であるとともに、撮像視野が狭い等といった問題がある。
【００１３】
なお、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ハンダ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。
【００１４】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、テレセントリック光学系を用いることなく、計測精度の向上を図ることのできる三次元計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
手段１．少なくとも被計測物に対し、縞状の光強度分布を有するパターン光を照射可能な照射手段と、
前記パターン光の照射された被計測物からの反射光を撮像可能な撮像手段と、
少なくとも前記撮像手段にて撮像された画像データに基づき、前記被計測物上の各座標位置における高さ計測を行う画像処理手段とを備えた三次元計測装置であって、
前記画像処理手段により計測された前記被計測物上の計測対象点の座標データ及び高さデータに対し前記撮像手段のレンズの画角により生じ得るズレを、少なくとも前記撮像手段の高さ情報と、前記被計測物に対し照射されるパターン光の照射角情報とに基づき補正する補正演算手段を備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００１７】
上記手段１によれば、テレセントリック光学系を用いることなく、撮像手段のレンズの画角により生じ得る計測データのズレを演算処理でソフト的に補正し、計測精度の向上を図ることができる。結果として、一般的なマクロレンズ等を使用することが可能となり、撮像視野を拡げることができる。ひいては、装置の大型化や複雑化を抑制し、製造コストの増加抑制を図ることができる。
【００１８】
手段２．前記撮像手段は、前記被計測物の真上に配置され、
前記照射手段は、前記被計測物の斜め上方に配置されていることを特徴とする手段１に記載の三次元計測装置。
【００１９】
上記手段２のように、撮像手段が被計測物の真上に配置され、照射手段が被計測物の斜め上方に配置されている場合には、撮像手段のレンズの画角により生じ得る計測データのズレが大きくなりやすいため、上記手段１の作用効果がより奏効する。
【００２０】
手段３．前記補正演算手段は、
前記被計測物の撮像面を基準とした前記撮像手段のレンズの主点の高さＬcoを前記撮像手段の高さ情報とし、前記照射手段から照射されるパターン光の光線と前記撮像面とのなす角αを前記パターン光の照射角情報とし、
下記式（ａ），（ｂ）により、前記計測対象点の見かけの座標データＸ1及び高さデータＺ1から、前記計測対象点の真の座標データＸ0及び高さデータＺ0を算出することを特徴とする手段２に記載の三次元計測装置。
【００２１】
Ｚ0＝Ｌco・Ｚ1／（Ｌco−Ｘ1・ｔａｎα）  ・・・（ａ）
Ｘ0＝｛１−Ｚ1／（Ｌco−Ｘ1・ｔａｎα）｝Ｘ1  ・・・（ｂ）
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施形態における基板検査装置を模式的に示す概略斜視図である。
【図２】基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】補正演算処理の原理を説明するための図である。
【図４】カメラレンズの画角に起因した計測データのズレの発生原理について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１は、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１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１は、クリームハンダの印刷されてなる被計測物としてのプリント基板２を載置するための載置台３と、プリント基板２の表面に対し斜め上方から所定のパターン光を照射するための照射手段としての照明装置４と、プリント基板２上の前記照射された部分を撮像するための撮像手段としてのＣＣＤカメラ５と、基板検査装置１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６とを備えている。制御装置６が本実施形態における画像処理手段や補正演算手段を構成する。
【００２５】
照明装置４は、公知の液晶光学シャッターを備えており、プリント基板２に対し、斜め上方から４分の１ピッチづつ位相変化する縞状のパターン光を照射するようになっている。本実施形態では、パターン光が、矩形状のプリント基板２の一対の辺と平行にＸ軸方向に沿って照射されるよう設定されている。つまり、パターン光の縞が、Ｘ軸方向に直交し、かつ、Ｙ軸方向に平行に照射される。
【００２６】
なお、照明装置４において、図示しない光源からの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、液晶素子を介して恒温制御装置内に配置された投影レンズ４ａ（図３参照）に導かれる。そして、投影レンズ４ａから４つの位相変化するパターン光が照射される。このように、照明装置４に液晶光学シャツターが使用されていることによって、縞状のパターン光を作成した場合に、その照度が理想的な正弦波に近いものが得られ、これにより、三次元計測の測定分解能が向上するようになっている。また、パターン光の位相シフトの制御を電気的に行うことができ、制御系のコンパクト化を図ることができるようになっている。
【００２７】
載置台３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６により駆動制御されることによって、載置台３上に載置されたプリント基板２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。かかる構成により、ＣＣＤカメラ５の視野、すなわち検査視野を移動させることができるようになっている。
【００２８】
次に、制御装置６の電気的構成について説明する。
【００２９】
図２に示すように、制御装置６は、基板検査装置１全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース２１、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、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、ＣＣＤカメラ５による撮像に基づく画像データを記憶するための画像データ記憶装置２４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置２５、後述する補正演算処理等を行うために各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置２６を備えている。なお、これら各装置２２〜２６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース２１に対し電気的に接続されている。
【００３０】
上記構成の下、制御装置６は、照明装置４を駆動制御してパターン光の照射を開始させると共に、このパターン光の位相を４分の１ピッチずつシフトさせて４種類の照射を順次切換制御する。さらに、このようにしてパターン光の位相がシフトする照明が行われている間に、制御装置６はＣＣＤカメラ５を駆動制御して、これら各照射ごとに検査エリア部分を撮像し、それぞれ４画面分の画像データを得る。
【００３１】
そして、制御装置６は、検査エリアの画像データ（４画面分の画像データ）に基づき、位相シフト法によって検査エリア内の各座標位置（Ｘ，Ｙ）における高さデータ（Ｚ）を算出する。各画素毎に上記処理を繰り返すことで、検査エリア全体についての高さデータ（Ｚ）を得ることができる。
【００３２】
次に、制御装置６は、このようにして得られた各部位の座標データ（Ｘ，Ｙ）及び高さデータ（Ｚ）に対し、ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａの画角により生じ得るズレを補正する補正演算処理を行う。
【００３３】
以下に、その原理について図３を参照して説明する。なお、図３中に示す各点等は、以下のものである（但し、ここで示す符号は〔背景技術〕及び〔図４〕で記した符号とは無関係である）。
【００３４】
Ｐ：照明装置４の投影レンズ４ａの主点
Ｏ：照明装置４（主点Ｐ）を通る鉛直線と撮像面（基準面）Ｍとの交点
Ａ：照明装置４によって照射されたパターン光のうち、計測対象点Ｃに照射される光線Ｈと同一の光線が照射される撮像面Ｍ上の点
Ｂ（Ｘ1，Ｚ1）：見かけの計測対象点
Ｃ（Ｘ0，Ｚ0）：真の計測対象点
Ｄ：ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａの主点
Ｅ：見かけの計測対象点Ｂを通る鉛直線と撮像面Ｍとの交点
Ｆ：真の計測対象点Ｃを通る鉛直線と撮像面Ｍとの交点
Ｘ0：撮像面中心Ｏ′から交点Ｆまでの距離
Ｘ1：撮像面中心Ｏ′から交点Ｅまでの距離
Ｚ0：撮像面Ｍから真の計測対象点Ｃまでの高さ
Ｚ1：撮像面Ｍから見かけの計測対象点Ｂまでの高さ
Ｌpop：投影レンズ４ａの主点Ｐの撮像面Ｍからの高さ
Ｌpc：ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａの主点Ｄと照明装置４の投影レンズ４ａの主点Ｐとの水平方向における距離
Ｌco：ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａの主点Ｄの撮像面Ｍからの高さ（ＣＣＤカメラ５の高さ情報）
α：照明装置４から照射される光線Ｈと撮像面Ｍとのなす角（照射角情報）
続いて、補正演算処理に用いられる演算式（ａ），（ｂ）を求める手順について説明する。
【００３５】
ＯＰ／ＯＡ＝ｔａｎα、ＯＰ＝Ｌpopより、下記式（１）が導き出される。
【００３６】
ＯＡ＝Ｌpop／ｔａｎα    ・・・（１）
また、照明装置４と計測対象点Ｃとの水平方向における距離ＯＦは、下記式（２）により導き出される。
【００３７】
ＯＦ＝Ｌpc＋Ｘ0    ・・・（２）
また、ＣＦ／ＡＦ＝ｔａｎα、ＣＦ＝Ｚ0より、Ｚ0／ＯＡ−ＯＦ＝ｔａｎαとなる。よって、Ｚ0＝（ＯＡ−ＯＦ）・ｔａｎα、上記式（１），（２）より、下記式（３）が導き出される。
【００３８】
Ｚ0＝（Ｌpop／ｔａｎα−Ｌpc−Ｘ0）・ｔａｎα      ・・・（３）
次に、△ＤＯ′Ｅに着目すると、Ｌco／Ｘ1＝Ｚ0／（Ｘ1−Ｘ0）が成り立つ。よって、（Ｘ1−Ｘ0）・Ｌco＝Ｚ0・Ｘ1より、以下のように下記式（４）が導き出される。
【００３９】
−Ｘ0・Ｌco＝Ｚ0・Ｘ1−Ｘ1・Ｌco
Ｘ0＝（Ｌco−Ｚ0）Ｘ1／Ｌco
Ｘ0＝（１−Ｚ0／Ｌco）・Ｘ1    ・・・（４）
そして、上記式（４）を式（３）に代入すると、
Ｚ0＝｛Ｌpop／ｔａｎα−Ｌpc−（１−Ｚ0／Ｌco）・Ｘ1）｝・ｔａｎαとなる。
【００４０】
これをＺ0についてまとめると、
Ｚ0＝Ｌpop−Ｌpc・ｔａｎα−Ｘ1・ｔａｎα＋（Ｘ1・Ｚ0／Ｌco）ｔａｎα
（１−Ｘ1・ｔａｎα／Ｌco）・Ｚ0＝Ｌpop−（Ｌpc＋Ｘ1）ｔａｎα
右辺はＺ1に等しいので、下記式（ａ）が導き出される。
【００４１】
Ｚ0＝Ｌco・Ｚ1／（Ｌco−Ｘ1・ｔａｎα）    ・・・（ａ）
また、上記式（ａ）を式（４）に代入すると、下記式（ｂ）が導き出される。
【００４２】
Ｘ0＝｛１−Ｚ1／（Ｌco−Ｘ1・ｔａｎα）｝・Ｘ1    ・・・（ｂ）
上記式（ａ），（ｂ）を基に、制御装置６は、画像データから計測された見かけの計測対象点Ｂの座標データＸ1及び高さデータＺ1から、真の計測対象点Ｃの座標データＸ0及び高さデータＺ0を算出することができる。
【００４３】
なお、補正を行うために必要なＣＣＤカメラ５の高さ情報Ｌco、照射角α、上記式（ａ），（ｂ）などは、計測前に予め設定データ記憶装置２６に記憶しておくこととなる。
【００４４】
このようにして得られた各部位の補正後の計測データ（座標データ及び高さデータ）は、制御装置６の演算結果記憶装置２５に格納される。そして、当該各部位の計測データに基づいて、基準面より高くなったクリームハンダの印刷範囲が検出され、この範囲内での各部位の高さを積分することにより、印刷されたクリームハンダの量が算出される。そして、このようにして求めたクリームハンダの位置、面積、高さ又は量等のデータが予め設定データ記憶装置２６に記憶されている基準データと比較判定され、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ハンダの印刷状態の良否が判定される。
【００４５】
以上詳述したように、本実施形態では、テレセントリック光学系を用いることなく、ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａの画角により生じ得る計測データのズレを演算処理でソフト的に補正し、計測精度の向上を図ることができる。結果として、ＣＣＤカメラ５のレンズ５ａに、一般的なマクロレンズ等を使用することが可能となり、撮像視野を拡げることができる。ひいては、装置の大型化や複雑化を抑制し、製造コストの増加抑制を図ることができる。
【００４６】
尚、上述した実施形態の記載内容に限定されることなく、例えば次のように実施してもよい。
【００４７】
（ａ）上記実施形態では、三次元計測方法として、位相シフト法を採用しているが、他の手法、例えば光切断法、空間コード法、合焦法など、公知の計測方法のうち任意の計測方法を採用してもよい。
【００４８】
（ｂ）上記実施形態では、三次元計測装置を、プリント基板２に印刷形成されたクリームハンダの高さを計測する基板検査装置１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ハンダバンプや、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。
【００４９】
（ｃ）上記実施形態では、演算式（ａ），（ｂ）を用いて補正演算処理を行う構成となっているが、補正演算式はこれに限定されるものではない。
【００５０】
また、照射角αの値は、パターン光を測定する等して直接求めてもよいし、三角測量の原理に基づき、投影レンズ４ａの主点Ｐの高さ〔Ｌpop〕等の値から計算して間接的に求めてもよい。この場合、演算式（ａ），（ｂ）において、ｔａｎα＝（Ｌpop−Ｚ1）／（Ｌpc＋Ｘ1）と置き換えることもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１…基板検査装置、２…プリント基板、４…照明装置、４ａ…投影レンズ、５…ＣＣＤカメラ、５ａ…レンズ、６…制御装置。
【図１】
2010164350.tif 000003
【図２】
2010164350.tif 000004
【図３】
2010164350.tif 000005
【図４】
2010164350.tif 000006