(57)【要約】【課題】対流加熱中の対象物を、高分解能の光学計測装置により高精度かつ確実に観察および計測することができる加熱対象物計測システムを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る加熱対象物計測システムは、対流加熱装置と、対流加熱中の対象物の形状を計測する光学計測装置と、対流加熱装置が発する熱が光学計測装置に到達することを妨げる熱交換器とを備える。対流加熱装置は、加熱炉筐体と、加熱炉筐体の開口部をふさぐ観察窓用透明体とを有する。光学計測装置は、観察窓用透明体を介して対象物に対向する位置に設けられた対物レンズを有する。熱交換器は、対物レンズおよび観察窓用透明体のいずれとも互いに離間して設けられ、かつ、各薄型透明体の面が光路に交差するとともに互いの面どうしが平行かつ互いに離間するように設けられた、複数枚の薄型透明体と、複数枚の薄型透明体どうしの離間した空間により形成された第１断熱流路とを有する。【選択図】  図１
2018081041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を対流加熱する対流加熱装置と、対流加熱中の前記対象物の形状を計測する光学計測装置と、前記対流加熱装置が発する熱が前記光学計測装置に到達することを妨げる熱交換器と、を備えた加熱対象物計測システムであって、
前記対流加熱装置は、
前記対象物を載置する載置台を内包するとともに、前記光学計測装置の光路上に前記対象物と離間して開口部が設けられた加熱炉筐体と、
前記加熱炉筐体の前記開口部をふさぐ観察窓用透明体と、を有し、
前記光学計測装置は、
前記光路上の前記観察窓用透明体を介して前記対象物に対向する位置に設けられた対物レンズを有し、
前記熱交換器は、
それぞれが平行平板型の薄型透明体により構成され、前記対物レンズおよび前記観察窓用透明体のいずれとも互いに離間して設けられ、かつ、各薄型透明体の面が前記光路に交差するとともに互いの面どうしが平行かつ互いに離間するように設けられた、複数枚の薄型透明体と、
前記複数枚の薄型透明体どうしの離間した空間により形成され、強制的に一方向に気体を流される第１断熱流路と、
を有する、
加熱対象物計測システム。
【請求項２】
前記熱交換器は、
前記光路上に前記対物レンズおよび前記対象物のいずれとも離間するように開口部が設けられた底部を有し、前記底部の前記開口部をふさぐように前記複数枚の薄型透明体を支持する支持筐体と、
前記底部の前記開口部を囲む領域内を走行し、液体を流されて前記支持筐体を冷却する第２断熱流路と、
をさらに有する請求項１記載の加熱対象物計測システム。
【請求項３】
前記光学計測装置は、
前記光路の光軸に直交する第１方向、前記光軸に直交し前記第１方向に直交する第２方向および前記光軸に平行な第３方向の少なくとも１つの方向に、前記光学計測装置と前記熱交換器とを一体に移動させることにより、前記対物レンズと前記対象物との相対的な位置関係を変更する光学系駆動部、
をさらに有する請求項１または２に記載の加熱対象物計測システム。
【請求項４】
前記対流加熱装置は、
前記光路の光軸に直交する第１方向、前記光軸に直交し前記第１方向に直交する第２方向および前記光軸に平行な第３方向の少なくとも１つの方向に、前記加熱炉筐体を移動させることにより、前記対物レンズと前記対象物との相対的な位置関係を変更する加熱炉駆動部、
をさらに有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の加熱対象物計測システム。
【請求項５】
前記対流加熱装置の前記加熱炉筐体の前記観察窓用透明体は、
複数枚の平行平板型の薄型透明体により構成され、各薄型透明体の面どうしが平行かつ互いに離間するように設けられた、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の加熱対象物計測システム。
【請求項６】
前記対流加熱装置、前記光学計測装置、および前記熱交換器を内包するとともに、内部の温度および湿度を調整するための空調機を内包する筐体と、
前記筐体内の温度および湿度を所定の値に維持するよう前記空調機を制御する空調制御部と、
をさらに備えた請求項１ないし５のいずれか１項に記載の加熱対象物計測システム。
【請求項７】
前記対流加熱装置による前記対象物の対流加熱を制御する加熱制御部、
をさらに備えた請求項１ないし６のいずれか１項に記載の加熱対象物計測システム。
【請求項８】
前記光学計測装置は、
共焦点光学系を用いて構成され、前記対流加熱装置の前記観察窓用透明体、前記熱交換器の前記複数枚の薄型透明体、および前記対物レンズを介して受光した前記対象物の反射光の強度に応じた信号を出力する光検出器をさらに有し、
前記光検出器の出力に応じて前記対象物の立体形状計測処理を実行する計測部、
をさらに備えた請求項１ないし７のいずれか１項に記載の加熱対象物計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高温または加熱中の対象物の観察や表面形状計測などを行なうための加熱対象物計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温加熱が必要であり、かつ加熱に伴う形状や物理的諸特性の変化が問題となる製品あるいは物質が工業生産品の中には数多く存在する。高温または加熱中に観察が求められている対象物の一例として、電子回路基板製造におけるリフロー工程の半田ボール電極およびその基板がある。リフロー工程では、半田をボール状に形成するために、半田が溶融する２５０度前後まで半田を加熱する必要がある。しかし、リフロー工程においては、半田だけでなく基板も一緒に加熱されてしまう。このため、半田の溶融状態だけでなく、基板の反りなどの変形が問題となる場合がある。
【０００３】
これらのリフロー工程中に発生する問題は、製品の品質や歩留まりに影響してしまうことから、リフロー工程中の半田ボールの融解状態や基板の反りを観察あるいは計測し、そのメカニズムを解明することが重要となる。このメカニズム解明のため、高温または加熱中の対象物を観察し、あるいは表面形状を計測するための技術の開発が求められている。
【０００４】
高温または加熱中の対象物を観察する技術としては、たとえば、当該対象物を筐体内に密閉することにより熱気を遮断するとともに、密閉筐体の一部に断熱ガラスで観察用の窓を設け、光学系によりその観察窓を通して対象物を観察し、あるいは表面形状を計測する技術がある（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、この種の技術では、観察窓のガラスが高温になってしまうほか、温度勾配によってガラスに応力が発生し偏光に影響を与えてしまうことがある。また、観察窓のガラスを介して温められた気体が、光学系の対物レンズなどに熱の影響を与えてしまう可能性がある。光学系に熱の影響があると、キャリブレーション値が変化してしまうなど観測結果や計測結果に無視できない影響を与えてしまう。このため、この種の技術では、光学系が観察窓を含む筐体で発生する熱の影響を受けないように、光学系と観察窓とを離して設置しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１０２１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
対象物が微細な場合には、顕微鏡のような高分解能の光学計測器が必要となる。しかし、高分解能の光学計測器のワーキングディスタンス（光学系と対象物との距離）は非常に短いため、そもそも高分解能の光学計測器と観察窓とは、離して設置することができない。他方、対象物を非接触で加熱するための方法には、大きく輻射加熱技術と対流加熱技術があるが、リフロー工程中の半田ボールの融解状態や基板の反りを観察あるいは計測し、そのメカニズムを解明するための対象物の加熱方法としては、対流加熱が好ましい。
【０００８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、対流加熱中の対象物を、高分解能の光学計測装置により高精度かつ確実に観察および計測することができる加熱対象物計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る加熱対象物計測システムは、上述した課題を解決するために、対象物を対流加熱する対流加熱装置と、対流加熱中の前記対象物の形状を計測する光学計測装置と、前記対流加熱装置が発する熱が前記光学計測装置に到達することを妨げる熱交換器と、を備える。前記対流加熱装置は、前記対象物を載置する載置台を内包するとともに、前記光学計測装置の光路上に前記対象物と離間して開口部が設けられた加熱炉筐体と、前記加熱炉筐体の前記開口部をふさぐ観察窓用透明体と、を有する。前記光学計測装置は、前記光路上の前記観察窓用透明体を介して前記対象物に対向する位置に設けられた対物レンズを有する。前記熱交換器は、それぞれが平行平板型の薄型透明体により構成され、前記対物レンズおよび前記観察窓用透明体のいずれとも互いに離間して設けられ、かつ、各薄型透明体の面が前記光路に交差するとともに互いの面どうしが平行かつ互いに離間するように設けられた、複数枚の薄型透明体と、前記複数枚の薄型透明体どうしの離間した空間により形成され、強制的に一方向に気体を流される第１断熱流路と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る加熱対象物計測システムの一例を示す全体構成図。
【図２】対流加熱装置、光学計測装置および熱交換器の位置関係の一例を示す説明図。
【図３】熱交換器の一構成例を示す断面図。
【図４】空冷用の第１断熱流路および水冷用の第２断熱流路の一例を示す平面図。
【図５】本実施形態に係る熱交換器を用いることによる断熱効果の一例を示す説明図。
【図６】対物レンズと対象物との相対的な位置関係を変更する場合の両者の位置関係の一例を示す説明図。
【図７】（ａ）は三角測量法による形状計測方法の一例を示す説明図、（ｂ）は共焦点法による形状計測方法の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る加熱対象物計測システムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る加熱対象物計測システム１０の一例を示す全体構成図である。加熱対象物計測システム１０は、対流加熱装置１１、光学計測装置１２、熱交換器１３、および処理装置１４を有する。また、図２は、対流加熱装置１１、光学計測装置１２および熱交換器１３の位置関係の一例を示す説明図である。なお、以下の説明では、光学計測装置１２の光軸をｚ方向、対流加熱用の気流方向をｘ方向とする場合の例を示す（図１等参照）。
【００１３】
図１に示すように、対流加熱装置１１、光学計測装置１２および熱交換器１３は、筐体１５に内包される。筐体１５の内部のたとえば内壁面には、筐体内の温度および湿度を調整するための空調機１６が設けられる。光学計測装置１２のうち熱交換器１３の上方に位置する部分は、図３に示す断熱材１７により周囲を囲まれてもよい。断熱材１７自身が時間経過とともに温度上昇することを未然に防ぐよう、断熱材１７としては、熱伝導率が低く熱容量の大きい材質のものを用いることが好ましい。
【００１４】
空調機１６は、対流加熱装置１１からの発熱により、時間経過とともに筐体１５の内部空間の温度が上昇していくのを防ぎ、温度を一定にするのが主な役割である。空調機１６は、処理装置１４に制御されて、光学計測装置１２の周辺に熱が滞留しないよう、気体の対流を起こしたり、不要な熱を廃棄したりする機能をもつ。また、熱交換器１３は空冷および水冷の機能を有するため、光学計測装置１２の周辺に結露が発生しないように湿度を管理することもできる。
【００１５】
対流加熱装置１１は、加熱炉筐体２１、加熱部２２、および加熱炉駆動部２３を有する。加熱炉筐体２１の内部に設けられた載置台２４には、計測対象となる対象物２５が載置される。加熱部２２は、少なくとも加熱用ヒータと温度センサを有し、処理装置１４により制御されて、たとえば工場エアを加熱用ヒータで所定温度に加熱して加熱炉筐体２１の内部へ送る。加熱炉筐体２１の内部に送られた高温の気体は、加熱炉筐体２１の内部をたとえば層流となって対流することにより対象物２５を対流加熱し、加熱炉筐体２１に設けられた排熱口２６から排気される。
【００１６】
加熱炉筐体２１の光学計測装置１２の光路上には、対象物２５と離間して開口部２７が設けられる。この開口部２７は、観察窓用透明体２８でふさがれる。観察窓用透明体２８は、光学計測装置１２の観察窓として機能する。
【００１７】
この観察窓用透明体２８は、対流加熱に用いられる高温の気体により、加熱炉筐体２１の内部から温められる。この観察窓用透明体２８から伝わる熱などの対流加熱装置１１が発する熱が光学計測装置１２に到達すると、光学計測装置１２による計測結果に悪影響を及ぼしてしまう。特に、対象物２５が微細な場合には、光学計測装置１２として顕微鏡のような高分解能の光学計測器を用いる場合、光学計測装置１２のワーキングディスタンスＷＤは非常に短くなる。このため、当然ながら光学計測装置１２の対物レンズ３４と観察窓用透明体２８との距離ｄ１も短くなり、光学計測装置１２は対流加熱装置１１が発する熱の影響を受けやすくなってしまう。
【００１８】
そこで、本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０は、対流加熱装置１１が発する熱が光学計測装置１２に到達することを妨げるよう、対流加熱装置１１および光学計測装置１２のいずれとも互いに離間する熱交換器１３を備える。
【００１９】
加熱炉駆動部２３は、ステッピングモータやサーボモータ、あるいはピエゾモータなどの一般的な駆動装置により構成され、加熱炉筐体２１をｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の少なくとも１方向に変位させることにより、光学計測装置１２の対物レンズ３４と対象物２５との相対的な位置関係を変更する。この変位の量、方向およびタイミングは、処理装置１４により制御される。
【００２０】
光学計測装置１２は、光学系３１、支持部３２および光学系駆動部３３を有し、対流加熱中の対象物２５の形状を計測する。光学計測装置１２としては、たとえば共焦点光学系を用いた共焦点光学顕微鏡を用いることができる。
【００２１】
光学系３１の対物レンズ３４は、図２に示すように、光路上の観察窓用透明体２８を介して対象物２５に対向する位置に設けられる。光学系駆動部３３は支持部３２を介して、光学系３１と熱交換器１３とを一体として、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の少なくとも１方向に変位させることにより、光学計測装置１２の対物レンズ３４と対象物２５との相対的な位置関係を変更する。この変位の量、方向およびタイミングは、処理装置１４により制御される。加熱対象物計測システム１０は、加熱炉駆動部２３および光学系駆動部３３の少なくとも一方を備えることにより、対物レンズ３４と対象物２５との相対的な位置関係を変更可能に構成されることが好ましい。
【００２２】
図３は、熱交換器１３の一構成例を示す断面図である。熱交換器１３は、底部４１を含む支持筐体４２を有する。底部４１の光路上には、対物レンズ３４および対象物２５のいずれとも離間するように開口部４３が設けられる。支持筐体４２は、支持筐体４２の底部４１に設けられた開口部４３をふさぐように、複数枚の平行平板型の薄型透明体４４を支持する。
【００２３】
複数枚の薄型透明体４４のそれぞれは、対物レンズ３４および観察窓用透明体２８のいずれとも互いに離間して設けられる。また、複数枚の薄型透明体４４のそれぞれは、各薄型透明体４４の面が光路に交差するとともに、互いの面どうしが平行かつ互いに離間するように設けられる。
【００２４】
図４は、空冷用の第１断熱流路４５および水冷用の第２断熱流路４８の一例を示す平面図である。
【００２５】
複数枚の薄型透明体４４どうしの間には空間が形成され、空冷用の第１断熱流路４５として利用される。この結果、第１断熱流路４５は、対物レンズ３４および観察窓用透明体２８のいずれとも互いに離間して位置することになる。
【００２６】
たとえば、吸気口４６から導入された工場エアが、第１断熱流路４５を経て、排気口４７から排出されることにより、第１断熱流路４５には強制的に一方向に気体が流される。
【００２７】
２枚の薄型透明体４４の間の伝熱は前記強制対流によって遮断される。また、薄型透明体４４は高温にさらされるため、その材質としては、耐熱性に優れた、たとえば合成石英ガラスなどが好ましい。
【００２８】
２枚の薄型透明体４４の間の伝熱の原因は、伝熱の３形態（熱伝導、熱伝達、熱放射）のうち、熱伝達が主である。常温の強制対流を流し続けることにより、第１断熱流路４５は十分な断熱効果を挙げることができる。複数枚の薄型透明体４４どうしの間を空冷用の第１断熱流路４５とすることにより、層流状態の気体を流すことができ、気体の屈折率を安定させて、そのゆらぎによる計測ノイズを低減することが可能となる。干渉計測をするような場合は屈折率のゆらぎは大きな問題となる。検証実験では、気体を対流させた状態を干渉計で観測してもゆらぎがないことを確認している。また、その状態でリフロー中の対象物２５を観測しても画像のゆらぎは見られなかった。
【００２９】
なお、薄型透明体４４は、３枚以上配置し、強制対流させる層を増やしてもよい。また、熱源からは輻射熱も発生する。これは電磁波の形で空間を伝播し、気体に影響をほぼ受けずに熱が伝わるため、熱交換器１３では防ぐことが難しい。輻射熱の影響は、たとえば薄型透明体４４に熱源からの輻射熱のピーク波長を反射するような薄膜を塗布することで、光学計測装置１２への熱伝達を低減することができる。
【００３０】
以上説明したように、薄型透明体４４は、輻射熱対策以外はそれ自身に断熱または冷却する機能を必要としないため、熱的には厚さを任意に選択することができる。これにより、従来の観察方法で光路中に置かれるガラス厚に対し、厚さを大幅に薄くしても光学計測装置１２に対する熱遮断を可能としている。
【００３１】
薄型透明体４４を薄くすることができるのは、光学計測装置１２にとっては大きなメリットである。特に、光学計測装置１２のワーキングディスタンスＷＤが小さい場合でも、薄型透明体４４を薄くすることにより、光学計測装置１２の対物レンズ３４と観察窓用透明体２８との距離ｄ１を短くすることが可能となる。
【００３２】
また、光学計測装置１２の中には、顕微鏡のように結像性能が非常に重要であるものが存在する。対物レンズ３４の開口数が比較的大きいものにおいては、光路中に透明体が挿入されると球面収差あるいは色収差が発生し、画質を劣化させてしまう。画質の劣化量は透明体の厚さの影響により変わり、薄いものであれば影響は小さい。この点、本実施形態に係る薄型透明体４４は、顕微鏡のカバーガラスレベルの厚さにすることもできる。このため、薄型透明体４４が光学計測装置１２の画質に与える影響を非常に小さくすることができる。
【００３３】
また、光学計測装置１２には、光の持つ偏光特性を利用したもの、あるいは対象物２５の偏光特性を計測するものなども含まれるが、このような場合、光路中に挿入された薄型透明体４４が複屈折特性を有していると正しい計測ができなくなってしまう。ここで、複屈折とは、物質に固有なある軸を考え、その軸方向に振動する光線を常光線、その軸に直交する方向に振動する光線を異常光線と呼ぶことにすると、これら２つの光線に対する物質の屈折率がそれぞれ異なる値をもつ現象のことをいう。通常ガラスはアモルファスな構造を持つため、複屈折現象は見られないが、物理的な圧力負荷がかかると、分子配列に方向性が生じ、複屈折現象が現れることが知られている。
【００３４】
本実施形態に係る薄型透明体４４は、対象物２５の対向面が高温となる。このため、対象物２５側に位置する薄型透明体４４には熱歪みが発生する可能性があり、その歪みにより複屈折が発生するおそれがある。複屈折が発生すると直線偏光が直線でなくなり、例えば楕円偏光となり計測に影響を与えることになる。
【００３５】
ここで、この影響の程度は、薄型透明体４４の厚さによって異なる。したがって、薄型透明体４４を十分薄くできるならば、その影響を小さくすることができ、計測には無視できる。薄型透明体４４として薄さ０．１２ｍｍの合成石英ガラスを使用した検証実験を行った結果、この薄さが、上述の画像に与える影響がなく、また複屈折が計測に影響を与えない程度の薄さであることを確認することができた。
【００３６】
また、支持筐体４２は、底部４１の開口部４３を囲む領域内を走行し、液体を流されて支持筐体４２を冷却する水冷用の第２断熱流路４８を有する。なお、図４には第２断熱流路４８が円環状の走行路を有する循環用パイプにより構成される場合の例を示したが、走行路は蛇行してもよいし、循環しなくてもよい。
【００３７】
熱交換器１３は、熱伝導率の高い材質を構成部材に用いることで熱交換効率を上げることができる。また、底部４１の内部に第２断熱流路４８を通しているため、熱交換器１３の小型化を図ることができるとともに、装置の形状に合わせて、均一に冷却できるように第２断熱流路４８を配置することも可能となる。
【００３８】
さらに、第２断熱流路４８を通す底部４１に厚みができたとしても、光路を含む対物レンズ３４が挿入される領域には第２断熱流路４８は設けられない。このため、底部４１のうち対物レンズ３４が挿入される領域は、非常に薄く設計することができる。したがって、光学計測装置１２として顕微鏡のような高分解能の光学計測器を用いる場合であって、光学計測装置１２のワーキングディスタンスＷＤが非常に短い場合であっても、底部４１のうち対物レンズ３４が挿入される領域は、当該ワーキングディスタンスよりも十分に薄くすることができる。
【００３９】
また、第２断熱流路４８を流れる液体の温度を低くすれば冷却効果は高まるが、低すぎても光学計測装置１２の測定結果に悪影響を与えると考えられる。このため、液体の温度は、定常状態で室温レベルとなるように設定するのが望ましい。また、局所的に低温となる部分などがあると、その部分で結露してしまう可能性があるため、空調機１６によって筐体１５の内部空間の湿度を調整することが好ましい。
【００４０】
処理装置１４は、処理回路、ＲＡＭおよびＲＯＭをはじめとする記憶媒体、入力部および表示部などを有する一般的なパーソナルコンピュータなどの情報処理装置によって構成することができる。処理回路は、この記憶媒体に記憶されたプログラムに従って加熱対象物計測システム１０の動作の全般的な制御を実行する。処理装置１４の処理回路は、専用のハードウェアで構成してもよいし、プロセッサによるソフトウェア処理で各種機能を実現するように構成してもよい。ここで、プロセッサとは、専用または汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）を含む。また、専用のハードウェアとは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）、プログラマブル論理デバイス、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）などの回路を含む。上記プログラマブル論理デバイスとしては、例えば、単純プログラマブル論理デバイス（ＳＰＬＤ：Simple Programmable Logic Device）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ：Complex Programmable Logic Device）などが挙げられる。
【００４１】
ここでは一例として、処理装置１４の処理回路がプロセッサである場合について説明する。この場合、処理装置１４は、記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、少なくとも空調制御機能、加熱制御機能および計測機能を実現する。
【００４２】
なお、処理回路は、単一のプロセッサによって構成されてもよいし、複数の独立したプロセッサの組み合わせによって構成されてもよい。プロセッサが複数設けられる場合、プログラムを記憶する記憶媒体は、プロセッサごとに個別に設けられてもよいし、１つの記憶媒体が全てのプロセッサの機能に対応するプログラムを一括して記憶してもよい。
【００４３】
処理装置１４は、空調制御機能により、筐体１５内の温度および湿度を所定の値に維持するよう、空調機１６を制御する。処理装置１４は、加熱制御機能により、対流加熱装置１１の加熱部２２を制御することにより、対象物２５の対流加熱を制御する。処理装置１４は、計測機能により、光学計測装置１２の光検出器の出力信号に応じて、対象物２５の立体形状計測処理を実行する。たとえば、光学計測装置１２が共焦点光学系を用いて構成される場合、処理装置１４は、計測機能により、共焦点光学系の出力に応じて対象物２５の立体形状計測処理を実行する。また、処理装置１４は、計測機能により、必要に応じて加熱炉駆動信号により加熱炉駆動部２３を制御し、あるいは光学系駆動信号により光学系駆動部３３を制御して、対物レンズ３４と対象物２５との相対的な位置関係を変更する。
【００４４】
図５は、本実施形態に係る熱交換器１３を用いることによる断熱効果の一例を示す説明図である。図５に示すように、熱交換器１３を用いることにより、対象物２５が約２４０度の高温であるときであっても、対物レンズ３４の温度は、雰囲気気体の温度と同程度の温度である２４度で安定させることができる。
【００４５】
本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０は、対流加熱装置１１が発する熱が光学計測装置１２に到達することを妨げる複数枚の薄型透明体４４を有する熱交換器１３を備える。このため、光学計測装置１２として共焦点光学系を用いる場合など、光学計測装置１２のワーキングディスタンスＷＤが小さいために対物レンズ３４と対象物２５とを近づけなければならない場合であっても、対物レンズ３４と観察窓用透明体２８との距離ｄ１を近づけつつ、対物レンズ３４を熱から守ることができる。
【００４６】
一般に、ミクロンレベルの計測を行なう場合、対象物２５と対物レンズ３４との距離ＷＤは数十ミリに近づける必要がある。ところが、この種の高分解能の対物レンズ３４は、わずか数度の温度上昇でも光学計測装置１２の出力データに悪影響があるばかりでなく、レンズが不可逆な損傷を受けることもある。そして、本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０が計測対象とする対象物２５は、２００度以上の高温体である。したがって、ミクロンレベルの計測を行なう場合、対物レンズ３４を対象物２５の熱から守ることが必須となる。
【００４７】
本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０によれば、熱交換器１３を備えることにより、光学計測装置１２が熱による影響を受けることがない。このため、対流加熱中の対象物２５を、高分解能の光学計測装置１２により、非常に近い距離ＷＤ（たとえば１５〜５０ｍｍなど）から高精度かつ確実に観察および計測することができる。
【００４８】
また、対流加熱装置１１を用いて対流加熱方式により対象物２５を加熱することにより、赤外線を用いた輻射加熱方式を適用する場合に比べ、加熱炉筐体２１内の温度均一性を高めることができるとともに、半田のリフローに近い状況を再現できる。
【００４９】
また、対象物２５が半田のフラックスを含む場合、対流加熱方式であれば、加熱された対象物２５から観察窓用透明体２８に向けて立ち昇る気化したフラックスを対流する加熱気体によって押し流すことができる。このため、輻射加熱方式に比べ、対流加熱方式を用いる本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０によれば、観察窓用透明体２８がフラックスによって汚れることを未然に防ぐことができ、対象物２５の正確な計測が可能である。
【００５０】
また、対流加熱方式は、加熱炉筐体２１内の空気が層流として対流するため、輻射加熱方式に比べ、対象物２５と観察窓用透明体２８との間の気体のゆらぎを抑止することができる。ゆらぎの発生は、局所的な空気の屈折率の変化を意味し、計測精度に悪影響を及ぼすことが知られている。
【００５１】
また、加熱対象物計測システム１０は、上述の通り、対物レンズ３４を熱から守りつつ、高分解能の光学計測装置１２の対物レンズ３４と観察窓用透明体２８との距離ｄ１を短くすることができる。このため、熱交換器１３の薄型透明体４４と観察窓用透明体２８との距離ｄ２（図２参照）を短くすることができ（たとえば２〜５ｍｍなど）、薄型透明体４４と観察窓用透明体２８との空間を狭くすることができる。したがって、薄型透明体４４と観察窓用透明体２８との空間の気体のゆらぎを抑えることができる。
【００５２】
また、観察窓用透明体２８のみで対物レンズ３４の断熱を試みる場合には、観察窓用透明体２８は、たとえば３０ｍｍや４０ｍｍ程度の厚みが必要となってしまう。一方、本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０は、熱交換器１３によって対物レンズ３４を熱から守ることができるため、観察窓用透明体２８をたとえば１〜２ｍｍ程度の薄さにすることができる。このため、対物レンズ３４を熱から守りつつ、ワーキングディスタンスＷＤをさらに短くすることができる。また、観察窓用透明体２８の厚みを薄くすることができるため、光路上に挿入される透明体の厚さを薄くすることができ、光学計測装置１２の結像性能を高く維持することができる。
【００５３】
また、観察窓用透明体２８は、自身も加熱炉によって加熱されてしまうため、一般に加熱炉筐体２１の外部から強制対流によって冷却する必要がある。しかし、外部から観察窓用透明体２８を冷却すると、加熱炉筐体２１内の気体の熱が観察窓用透明体２８に奪われてしまい、加熱炉筐体２１内の温度均一性が損なわれてしまう。また、観察窓用透明体２８を強制対流によって冷却すると、観察窓用透明体２８の近傍の雰囲気気体がゆらいでしまうおそれがある。このため、このゆらぎを防ぐように強制対流の強度等を制御しなければならず煩雑である。一方、本実施形態に係る加熱対象物計測システム１０は、熱交換器１３を備えることにより、光学計測装置１２が熱による影響を受けることがない。このため、そもそも観察窓用透明体２８を冷却する必要はなく、加熱炉筐体２１内の温度均一性が損なわれることも、観察窓用透明体２８の近傍の雰囲気気体がゆらぐこともない。
【００５４】
なお、観察窓用透明体２８もまた同様に、複数枚の平行平板型の薄型透明体により構成してもよい。このとき、複数枚の平行平板型の薄型透明体は、熱交換器１３の薄型透明体４４と同様に、各薄型透明体の面どうしが平行かつ互いに離間するように設けられるとよい。観察窓用透明体２８を複数枚の平行平板型の薄型透明体により構成する場合、加熱炉筐体２１内の温度が外部雰囲気から影響をうけづらくなる。このため、加熱炉筐体２１内の温度分布をより均一にすることができ、対象物２５をさらに均一に加熱することができる。
【００５５】
図６は、対物レンズ３４と対象物２５との相対的な位置関係を変更する場合の両者の位置関係の一例を示す説明図である。加熱炉駆動部２３および光学系駆動部３３の少なくとも一方を備えることにより、光学系３１と熱交換器１３とを一体として、対物レンズ３４と対象物２５との相対的な位置関係を変更できる。したがって、光学計測装置１２は常に熱交換器１３の効果を受け続けることができ、ワーキングディスタンスＷＤを維持し続けることができるため、高分解能のまま広範囲の計測を行うことができる。
【００５６】
また、本実施形態に係る光学計測装置１２が共焦点光学系を用いて構成される場合、処理装置１４は、計測機能により、共焦点法により対象物２５の立体形状計測を行なうことができる。共焦点光学系は光学系３１内の、対物レンズ３４の焦点位置と共役な位置に微小な穴ピンホールを配置することで、光源から照射された照明光を対物レンズ３４を介して対象物２５の表面上に照射した場合、対物レンズ３４と対象物２５とのＺ方向の位置関係によって、光検出器に受光する反射光量が変化する。この位置関係を微動させることで、光検出器に受光する反射光量が最大となる位置を求め、対象物２５の形状計測が可能となる。
【００５７】
また、共焦点法による形状計測方法は、三角測量法による一般的な形状計測方法に比べて死角の少ない正確な形状計測が可能である。
【００５８】
図７（ａ）は三角測量法による形状計測方法の一例を示す説明図であり、（ｂ）は共焦点法による形状計測方法の一例を示す説明図である。
【００５９】
一般に、光学系を用いた形状計測では反射光の光軸に沿った仮想的な視線から観察が行われることになるが、三角測量法では照明光の入射角と対物レンズ３４の光軸（受光素子へ向かう反射光の方向）とが大きな角度をなすために、不可視領域ができてしまう（図７（ａ）参照）。一方、共焦点法では、対象物２５に対する照明光の入射光の光軸と対象物２５による反射光の光軸とが一致する（図７（ｂ）参照）。このため、共焦点法によれば、不可視領域がなく、正確に対象物２５の形状を計測することができることがわかる。
【００６０】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、対流加熱中の対象物２５を、高分解能の光学計測装置１２により高精度かつ確実に観察および計測することができる。
【００６１】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…加熱対象物計測システム
１１…対流加熱装置
１２…光学計測装置
１３…熱交換器
１５…筐体
１６…空調機
２１…加熱炉筐体
２３…加熱炉駆動部
２４…載置台
２５…対象物
２７…加熱炉筐体の開口部
２８…観察窓用透明体
３１…光学系
３３…光学系駆動部
３４…対物レンズ
４１…底部
４２…支持筐体
４３…熱交換器の開口部
４４…薄型透明体
４５…第１断熱流路
４８…第２断熱流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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