(57)【要約】【課題】パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり計測精度の向上等を図ることのできる投影装置及び三次元計測装置を提供する。【解決手段】基板検査装置は、プリント基板に対し縞パターンを投影する投影装置１４と、該プリント基板を撮像するカメラとを備えている。投影装置１４は、光源１７からの光を縞パターンに変換するパターン生成部１８と、生成された縞パターンをプリント基板に結像する投影レンズユニット１９とを有している。パターン生成部１８は、入射する光を縞パターンに変換する格子板２１と、入射する光の入射角が０°となるように、格子板２１の入射面側に配設された入射角調整板２２と、出射する光の屈折角が０°となるように、格子板２１の出射面側に配設された屈折角調整板２３とからなり、これらが同一屈折率を有する同一の光学素材により構成されている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の被計測物に係る三次元計測を行うにあたり、前記被計測物に対し所定のパターン光を投影する投影装置であって、
所定の光を発する光源と、
前記光源から入射する光を前記パターン光に変換して出射するパターン生成部と、
前記パターン生成部から出射された前記パターン光を前記被計測物に対し結像させる投影光学系とを備え、
前記パターン生成部は、
所定の屈折率を有する光学素材からなり、入射する光を前記パターン光に変換する所定の格子が設けられてなる第１透光部材と、
前記第１透光部材と同一屈折率を有する素材からなり、該パターン生成部へ入射する光の入射角が０°となるように、前記第１透光部材の入射面側に配設された第２透光部材と、
前記第１透光部材と同一屈折率を有する素材からなり、該パターン生成部から出射する光の屈折角が０°となるように、前記第１透光部材の出射面側に配設された第３透光部材とにより構成され、
前記被計測物に対して、前記第１透光部材の格子及び前記投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されることを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記シャインプルーフの条件は、前記パターン生成部を透過する光の進行方向における前記第１透光部材の格子から前記第３透光部材の出射面までの光路長の違いを加味したものであることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記パターン光として、縞状の光強度分布を有するパターン光を生成可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の投影装置と、
前記パターン光の投影された前記被計測物の所定範囲を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像され取得された画像データを基に前記被計測物に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相シフト法などのパターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり、所定のパターン光を投影する投影装置及びこれを備えた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半田が印刷される。次に、該クリーム半田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半田付けが行われる。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半田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】
従来、所定のパターン光を投影して三次元計測を行う三次元計測装置が種々提案されている。中でも、位相シフト法を利用した三次元計測装置がよく知られている。
【０００４】
位相シフト法を利用した三次元計測装置は、プリント基板等の被計測物に対し、縞状の光強度分布を有するパターン光（以下、「縞パターン」という）を斜め上方より投影する投影装置と、該縞パターンの投影された被計測物を撮像する撮像装置とを備えている。
【０００５】
投影装置は、所定の光を発する光源と、該光源からの光を縞パターンに変換するパターン生成部とを備え、ここで生成された縞パターンが投影レンズ等からなる投影光学系を介して被計測物に対し投影される。
【０００６】
かかる構成の下、被計測物に投影される縞パターンの位相を複数通り（例えば４通り）にシフトさせると共に、位相の異なる各縞パターンの下で撮像を行い、被計測物に係る複数通りの画像データを取得する。そして、これらの画像データを基に被計測物の三次元計測を行う。
【０００７】
近年では、シャインプルーフの原理に従い、パターン生成部を投影光学系の光軸に対し傾くように配置し、投影範囲全域において縞パターンが合焦するように構成された三次元計測装置も見受けられる（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００３−５２７５８２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１０６０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のように、パターン生成部として格子板を用いると共に、該格子板を投影光学系の光軸に対し傾くように配置した構成においては、図１１に示すように、所定の光源から出射された光Ｋａが投影光学系の光軸方向に沿って格子板１００の入射面１００ａに対し斜めに入射することとなる。この際、入射した光Ｋｂは、単波長の光でない限り、複数の波長成分の屈折率の違いにより分光してしまう。
【００１０】
さらに、格子板１００内を透過した光Ｋｂは、出射面（格子面）１００ｂにて縞パターンに変換され、該出射面１００ｂから斜めに出射されることとなる。この際、入射時と同様、出射された光Ｋｃは、複数の波長成分の屈折率の違いにより分光してしまう。
【００１１】
その結果、被計測物に投影される縞パターンがぼやける等して、想定した縞パターンとならず、三次元計測の計測精度が低下するおそれがある。
【００１２】
一方、特許文献２では、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）をはじめ、反射型液晶パネルや透過型液晶パネルなど、複数の画素がマトリクス状に二次元配列されてなる光学制御素子をパターン生成部として用いる構成が記載されている。
【００１３】
しかしながら、ＤＭＤ等の光学制御素子は画素と画素の間が暗部となることから、生成される縞パターンが微視的には不連続なものとなる。結果として、被計測物に投影される縞パターンが、想定した縞パターンとならず、三次元計測の計測精度が低下するおそれがある。
【００１４】
また、ＤＭＤ等の光学制御素子は、投影装置の制御を複雑化すると共に、高価であるため、投影装置の製造コストを増大させるおそれがある。
【００１５】
尚、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半田等の三次元計測に限らず、他の三次元計測の分野においても内在するものである。勿論、位相シフト法に限られる問題ではない。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり計測精度の向上等を図ることのできる投影装置及び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】
【００１７】
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。
【００１８】
手段１．所定の被計測物（例えばプリント基板）に係る三次元計測を行うにあたり、前記被計測物に対し所定のパターン光を投影する投影装置であって、
所定の光を発する光源と、
前記光源から入射する光を前記パターン光に変換して出射するパターン生成部と、
前記パターン生成部から出射された前記パターン光を前記被計測物に対し結像させる投影光学系とを備え、
前記パターン生成部は、
所定の屈折率を有する光学素材（例えばガラスやアクリル樹脂等）からなり、入射する光を前記パターン光に変換する所定の格子（格子面）が設けられてなる第１透光部材（格子板）と、
前記第１透光部材と同一屈折率を有する素材からなり、該パターン生成部へ入射する光の入射角が０°となるように、前記第１透光部材の入射面側に配設された第２透光部材（入射角調整板）と、
前記第１透光部材と同一屈折率を有する素材からなり、該パターン生成部から出射する光の屈折角が０°となるように、前記第１透光部材の出射面側に配設された第３透光部材（屈折角調整板）とにより構成され、
前記被計測物に対して、前記第１透光部材の格子及び前記投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されることを特徴とする投影装置。
【００１９】
上記手段１によれば、パターン投影法を利用した三次元計測を行うにあたり、計測精度の良いパターン光を投影することができる。
【００２０】
本手段に係る投影装置は、被計測物に対して、第１透光部材の格子及び投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。つまり、第１透光部材の格子を含む平面と、投影光学系の主面を含む平面と、被計測物（パターン投影面）を含む平面とがシャインプルーフの条件を満たすように、同一直線上で互いに交わるように設定されている。これにより、被計測物上の投影範囲全域に対しパターン光を合焦状態で投影することができる。結果として、三次元計測の計測精度の向上を図ることができる。
【００２１】
さらに、本手段に係るパターン生成部は、入射する光をパターン光に変換する所定の格子が設けられてなる第１透光部材と、入射する光の入射角が０°となるように、第１透光部材の入射面側に配設された第２透光部材と、出射する光の屈折角が０°となるように、第１透光部材の出射面側に配設された第３透光部材とによって構成されると共に、各透光部材が同一の屈折率を有する光学素材（例えばガラスやアクリル樹脂等）により形成されている。
【００２２】
これにより、パターン生成部を透過する光の分散等を抑制し、投影されるパターン光のぼけ等を抑制することができる。結果として、パターン投影法を利用した三次元計測の計測精度の向上等を図ることができる。
【００２３】
加えて、本手段によれば、例えばガラス板に格子が印刷（蒸着）された既存の格子板など、安価な透光部材を用いてパターン生成部を製造することができる。このため、高価なＤＭＤ等の光学制御素子をパターン生成部として用いた場合に比べ、投影装置の製造コストを抑制することができる。
【００２４】
また、ＤＭＤ等の光学制御素子を用いた場合のように、画素の制御を行う必要もなく、制御の簡素化を図ることができると共に、生成されるパターン光が微視的に不連続となることもないため、より理想的なパターン光を被計測物に対し投影することが可能となる。
【００２５】
尚、ＤＭＤ等の光学制御素子をパターン生成部として利用する場合には、通常、市販のものを用いることとなる。このため、生成されるパターン光が光学制御素子の画素ピッチに依存することとなり、自由度が低下し、被計測物に適したパターン光を投影することが困難となる場合もある。この点、本手段によれば、被計測物により適したパターン光を投影することができる。
【００２６】
また、第２透光部材及び第３透光部材により第１透光部材（格子板）を挟持した構造となるため、第１透光部材の撓みを抑制し投影精度の向上を図ると共に、格子面を保護することができる。
【００２７】
手段２．前記シャインプルーフの条件は、前記パターン生成部を透過する光の進行方向における前記第１透光部材の格子から前記第３透光部材の出射面までの光路長の違いを加味したものであることを特徴とする手段１に記載の投影装置。
【００２８】
パターン生成部を透過する光の進行方向における第１透光部材の格子から第３透光部材の出射面までの光路長は、第３透光部材の出射面に対する第１透光部材の格子（格子面）の傾斜方向における格子上のどの位置を光が通過するかによって異なる。
【００２９】
上記各透光部材を構成するガラス等の光学素材は、通常、空気の屈折率よりも高い所定の屈折率を有する。このため、透光部材内を進む光の光路長は、空気中を進む光の光路長よりも光学的に長くなる。従って、第１透光部材の格子から第３透光部材の出射面までの物理的な長さ（光路長）が異なる場合には、第１透光部材の格子から被計測物までの光学的な光路長が異なることとなる。これを考慮することなく、第１透光部材の格子及び投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置された場合には、僅かながらも誤差が生じ得る。
【００３０】
これに対し、本手段によれば、このような誤差を補正した状態で、第１透光部材の格子及び投影光学系の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されるため、より精度よくパターン光を合焦させることができる。
【００３１】
手段３．前記パターン光として、縞状（例えば正弦波状）の光強度分布を有するパターン光を生成可能に構成されていることを特徴とする手段１又は２に記載の投影装置。
【００３２】
上記手段３によれば、縞状の光強度分布を有するパターン光を投影することにより、位相シフト法による三次元計測を行うことができる。結果として、三次元計測の計測精度の向上等を図ることができる。
【００３３】
位相シフト法のように、位相の異なるパターン光の下で撮像し取得した複数の画像データの輝度値の違いを基に三次元計測を行う構成においては、輝度値の誤差が僅かであっても、計測精度に多大な影響を与えるおそれがある。従って、本手段に係る構成の下において上記各手段の作用効果がより奏功することとなる。特に正弦波状の光強度分布を有するパターン光は、光強度分布（波形）が崩れやすいため、高い投影精度が要求される。
【００３４】
手段４．手段１乃至３のいずれかに記載の投影装置と、
前記パターン光の投影された前記被計測物の所定範囲を撮像可能な撮像手段と、
前記撮像手段により撮像され取得された画像データを基に前記被計測物に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。
【００３５】
上記手段４によれば、手段１乃至３のいずれかに記載の投影装置から投影されるパターン光を利用して三次元計測を行うことができる。通常、パターン投影法を利用した三次元計測を行う際には、所定の光源から出射された光をパターン生成部において所定のパターン光に変換し、投影光学系を介して被計測物に対し投影する。そして、パターン光の投影された被計測物を撮像手段により撮像し、取得した画像データを基に被計測物の三次元計測を行う。
【００３６】
より具体的に、上記手段３に記載の投影装置から投影されるパターン光を利用して位相シフト法による三次元計測を行う三次元計測装置としては、
「手段３に記載の投影装置と、
前記パターン光の投影された前記被計測物の所定範囲を撮像可能な撮像手段と、
前記投影装置によって投影されるパターン光と、前記被計測物との相対位置関係（位相）を変位させる変位手段と、
前記パターン光と前記被計測物との相対位置関係が異なる状態で、前記撮像手段により撮像され取得された前記被計測物に係る複数の画像データを基に位相シフト法により前記被計測物に係る三次元計測を実行可能な画像処理手段とを備えたことを特徴とする三次元計測装置。」が一例に挙げられる。
【００３７】
尚、上記「被計測物」としては、例えばクリーム半田が印刷されたプリント基板や、半田バンプが形成されたウエハ基板などが挙げられる。つまり、上記各手段に記載の投影装置を用いることにより、プリント基板に印刷されたクリーム半田や、ウエハ基板に形成された半田バンプの三次元計測を行うことができる。ひいては、クリーム半田や半田バンプの検査において、その計測値に基づいてクリーム半田や半田バンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、半田印刷検査装置や半田バンプ検査装置における検査精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】基板検査装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】プリント基板の断面模式図である。
【図３】投影装置の概略構成を示す模式図である。
【図４】パターン生成部の概略構成を示す模式図である。
【図５】基板検査装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図６】プリント基板上に投影された縞パターンの態様を示す模式図である。
【図７】時間経過と共に変化するプリント基板上の座標位置と、カメラの撮像範囲との関係を説明するための模式図である。
【図８】時間経過と共に変化するプリント基板上の座標位置と、縞パターンの位相との関係を説明するための表である。
【図９】複数の画像データの座標位置を位置合せした状態を模式的に示した表である。
【図１０】プリント基板の各座標位置に係るデータを整理した状態を模式的に示した表である。
【図１１】従来の格子板の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず本実施形態において被計測物となるプリント基板１の構成について詳しく説明する（図２参照）。図２は、プリント基板１の断面模式図である。
【００４０】
図２に示すように、プリント基板１は、平板状をなし、ガラスエポキシ樹脂等からなるベース基板２に、銅箔からなる電極パターン３が設けられている。さらに、所定の電極パターン３上には、クリーム半田４が印刷形成されている。このクリーム半田４が印刷された領域を「半田印刷領域」ということにする。半田印刷領域以外の部分を「背景領域」と総称するが、この背景領域には、電極パターン３が露出した領域（記号Ｅ１）、ベース基板２が露出した領域（記号Ｅ２）、ベース基板２上にレジスト膜５がコーティングされた領域（記号Ｅ３）、及び、電極パターン３上にレジスト膜５がコーティングされた領域（記号Ｅ４）が含まれる。尚、レジスト膜５は、所定配線部分以外にクリーム半田４がのらないように、プリント基板１の表面にコーティングされるものである。
【００４１】
次に、本実施形態における三次元計測装置を構成する基板検査装置１０について詳しく説明する（図１参照）。図１は、基板検査装置１０の概略構成を示す模式図である。以下、図１の紙面左右方向を「Ｘ方向」とし、紙面前後方向を「Ｙ方向」とし、紙面上下方向（鉛直方向）を「Ｚ方向」として説明する。
【００４２】
基板検査装置１０は、プリント基板１に印刷されたクリーム半田４の印刷状態を検査する半田印刷検査装置である。基板検査装置１０は、プリント基板１を搬送する搬送手段（変位手段）としてのコンベア１３と、プリント基板１の表面に対し斜め上方から縞パターンを投影する投影装置１４と、該縞パターンの投影されたプリント基板１を真上から撮像する撮像手段としてのカメラ１５と、コンベア１３や投影装置１４、カメラ１５の駆動制御など基板検査装置１０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１６（図５参照）とを備えている。
【００４３】
コンベア１３には、図示しないモータ等の駆動手段が設けられており、該モータが制御装置１６により駆動制御されることによって、コンベア１３の上面（載置面）に載置されたプリント基板１が所定方向（図１右方向）へ定速で連続搬送される。これにより、カメラ１５の撮像範囲（撮像エリア）Ｗは、プリント基板１に対し逆方向（図１左方向）へ相対移動していくこととなる。
【００４４】
投影装置１４は、図３に示すように、所定の光を発する光源１７と、該光源１７からの光を縞パターンに変換するパターン生成部１８と、該パターン生成部１８により生成された縞パターンをプリント基板１上に結像する投影光学系としての投影レンズユニット１９とを有している。
【００４５】
投影装置１４は、その光軸Ｊ１がＸ−Ｚ平面に平行し、かつ、Ｚ方向に対し所定角度α（例えば３０°）傾斜するように配置されている。
【００４６】
光源１７は、白色光を出射するハロゲンランプにより構成されている。光源１７から出射された光は、図示しない前処理レンズ群等を介して平行光化された状態で光軸Ｊ１に沿ってパターン生成部１８に入射する。
【００４７】
パターン生成部１８は、３つの透光部材を貼り合せて一体とした１つの光学部材として構成されている（図４参照）。図４は、パターン生成部１８の概略構成を示す模式図である。
【００４８】
図４に示すように、パターン生成部１８は、入射した光を縞パターンに変換して出射する第１透光部材としての格子板２１と、該格子板２１の入射側に配設された第２透光部材としての入射角調整板２２と、格子板２１の出射側に配設された第３透光部材としての屈折角調整板２３とからなる。
【００４９】
格子板２１、入射角調整板２２及び屈折角調整板２３の三者は、同一の屈折率を有する同一の光学素材（例えばガラスやアクリル樹脂等）により形成されている。
【００５０】
格子板２１は、Ｘ−Ｚ平面における断面が長方形状をなし、Ｙ方向に沿った４つの矩形平面を有する平板状の透光部材である。格子板２１を構成する４つの矩形平面のうち、光軸Ｊ１と交差するように配置された互いに平行な２つの矩形平面により入射面２１ａ及び出射面２１ｂが構成される。
【００５１】
格子板２１は、入射面２１ａ及び出射面２１ｂの垂線が光軸Ｊ１に対し所定角度β（例えば約２０°）傾斜するように配置されている。
【００５２】
格子板２１の出射面２１ｂには格子２５が印刷（蒸着）形成されている。つまり、格子板２１の出射面２１ｂにより、本実施形態における格子面が構成される。格子２５は、Ｙ方向に沿って直線状に形成された透光部２５ａ及び遮光部２５ｂがＸ−Ｚ平面において交互に並ぶように構成されている。
【００５３】
入射角調整板２２は、Ｘ−Ｚ平面における断面が三角形状をなし、Ｙ方向に沿った３つの矩形平面を有する透光部材である。入射角調整板２２を構成する３つの矩形平面のうち、光軸Ｊ１と交差するように配置された２つの矩形平面により入射面２２ａ及び出射面２２ｂが構成される。
【００５４】
入射角調整板２２の入射面２２ａは、光軸Ｊ１と直交するように配置されている。一方、出射面２２ｂは、格子板２１の入射面２１ａに接合され、その垂線が光軸Ｊ１に対し前記角度β傾斜するように配置されている。つまり、入射角調整板２２は、入射面２２ａと出射面２２ｂとの内角が前記角度βとなっている。
【００５５】
これにより、光源１７からパターン生成部１８（入射角調整板２２の入射面２２ａ）に入射する光の入射角は０°となる。一方、入射角調整板２２の出射面２２ｂから出射され、格子板２１の入射面２１ａに入射する光は、すべての波長成分が屈折することなく、光軸Ｊ１に沿って直進することとなる。
【００５６】
屈折角調整板２３は、Ｘ−Ｚ平面における断面が三角形状をなし、Ｙ方向に沿った３つの矩形平面を有する透光部材である。屈折角調整板２３を構成する３つの矩形平面のうち、光軸Ｊ１と交差するように配置された２つの矩形平面により入射面２３ａ及び出射面２３ｂが構成される。
【００５７】
屈折角調整板２３の入射面２３ａは、格子板２１の出射面２１ｂに接合され、その垂線が光軸Ｊ１に対し前記角度β傾斜するように配置されている。一方、出射面２３ｂは、光軸Ｊ１と直交するように配置されている。つまり、屈折角調整板２３は、入射面２３ａと出射面２３ｂとの内角が前記角度βとなっている。
【００５８】
これにより、格子板２１の出射面２１ｂから出射され、屈折角調整板２３の入射面２３ａに入射する光（縞パターン）は、すべての波長成分が屈折することなく、光軸Ｊ１に沿って直進することとなる。また、パターン生成部１８（屈折角調整板２３の出射面２３ｂ）から外部へ出射する光の屈折角は０°となる。従って、パターン生成部１８から外部へ出射される光は、すべての波長成分が屈折することなく、光軸Ｊ１に沿って投影レンズユニット１９に向け直進することとなる。
【００５９】
投影レンズユニット１９は、入射側レンズ３１、開口絞り３２、出射側レンズ３３等を一体に備えた両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されている。
【００６０】
入射側レンズ３１は、パターン生成部１８（屈折角調整板２３の出射面２３ｂ）から出射された光（縞パターン）を集光するものであり、入射側で光軸Ｊ１と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。
【００６１】
出射側レンズ３３は、入射側レンズ３１から開口絞り３２を透過した光（縞パターン）の像をプリント基板１上に結像させるためのものであり、出射側で光軸Ｊ１と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。
【００６２】
開口絞り３２は、入射側レンズ３１の後側焦点の位置かつ出射側レンズ３３の前側焦点の位置に配置されている。
【００６３】
かかる構成の下、投影装置１４においては、プリント基板１上に投影される縞パターンが投影範囲（本実施形態では撮像範囲Ｗと同一範囲）全域において合焦するように、パターン生成部１８及び投影レンズユニット１９の傾きが調整されている。
【００６４】
具体的には、コンベア１３上のプリント基板１に対して、格子板２１の出射面（格子面）２１ｂ及び投影レンズユニット１９の主面がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。
【００６５】
ここで、シャインプルーフの原理について図３を参照して説明する。シャインプルーフの原理とは、格子板２１の出射面２１ｂを含む平面Ｓ１と、投影レンズユニット１９の主面を含む平面Ｓ２とが同一直線Ｃ（図３上の点Ｃにおける紙面に垂直な直線）上で交わる場合、縞パターンが合焦状態で投影される物体面Ｓ３も同一直線Ｃ上で交わるというものである。従って、このようなシャインプルーフの原理に基づく条件は、格子板２１の出射面２１ｂを含む平面Ｓ１と、投影レンズユニット１９の主面を含む平面Ｓ２と、プリント基板１の表面（投影面）を含む平面Ｓ３が同一直線Ｃ上で互いに交わることである。
【００６６】
上記構成の下、光源１７から出射された光は、パターン生成部１８（入射角調整板２２の入射面２２ａ）に対し入射角０°で垂直に入射する。そして、入射角調整板２２内を光軸Ｊ１に沿って直進する。入射角調整板２２内を透過した光は、入射角調整板２２の出射面２２ｂから出射されると共に、入射角βで格子板２１の入射面２１ａに対し斜めに入射する。そして、格子板２１内を光軸Ｊ１に沿って直進する。
【００６７】
格子板２１内を透過した光は、格子板２１の出射面（格子面）２１ｂから縞パターンとして出射されると共に、入射角βで屈折角調整板２３の入射面２３ａに対し斜めに入射する。そして、屈折角調整板２３内を光軸Ｊ１に沿って直進する。
【００６８】
屈折角調整板２３内を透過した光（縞パターン）は、屈折角調整板２３の出射面２３ｂから屈折角０°で垂直に出射する。そして、投影レンズユニット１９を介してプリント基板１上に投影される。
【００６９】
これにより、本実施形態では、図６に示すように、搬送されるプリント基板１上に、搬送方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向に平行な縞パターンが投影されることとなる。
【００７０】
尚、通常、格子２５を通過する光は完全な平行光でなく、透光部２５ａ及び遮光部２５ｂの境界部における回折作用等に起因して、縞パターンの「明部」及び「暗部」の境界部に中間階調域が生じることとなる。そのため、プリント基板１に対し投影される縞パターンは、プリント基板１の搬送方向（Ｘ方向）に沿って正弦波状の光強度分布を有するパターン光となる。但し、図６では、簡略化のため、中間階調域を省略し、明暗２値の縞模様で縞パターンを図示している。
【００７１】
カメラ１５は、複数の受光素子が二次元配列された受光面を有する撮像素子１５ａと、該撮像素子１５ａに対し、縞パターンが投影されたプリント基板１の撮像範囲Ｗの像を結像させる撮像光学系としての撮像レンズユニット１５ｂとを有し、その光軸Ｊ２がコンベア１３の上面に垂直な鉛直方向（Ｚ方向）に沿って設定されている。本実施形態では、撮像素子１５ａとしてＣＣＤエリアセンサを採用している。
【００７２】
撮像レンズユニット１５ｂは、物体側レンズ、開口絞り、像側レンズ等を一体に備えた両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されている。但し、図１においては、簡素化のため、撮像レンズユニット１５ｂを１つのレンズとして図示している。
【００７３】
ここで、物体側レンズは、プリント基板１からの反射光を集光するものであり、物体側で光軸Ｊ２と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。また、像側レンズは、物体側レンズから開口絞りを透過した光を撮像素子１５ａの受光面に結像させるためのものであり、像側で光軸Ｊ２と主光線とが平行となるテレセントリック構造を有する。
【００７４】
カメラ１５によって撮像され取得された画像データは、該カメラ１５内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置１６に入力され、後述する画像データ記憶装置４４に記憶される。そして、制御装置１６は、該画像データを基に、後述するような画像処理や演算処理等を実施する。制御装置１６が本実施形態における画像処理手段を構成する。
【００７５】
次に制御装置１６の電気的構成について図５を参照して説明する。図５は、基板検査装置１０の電気的構成を示すブロック図である。
【００７６】
図５に示すように、制御装置１６は、基板検査装置１０全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース４１、キーボードやマウス、タッチパネル等で構成される「入力手段」としての入力装置４２、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４３、カメラ１５により撮像され取得された画像データなどを記憶するための画像データ記憶装置４４、該画像データに基づいて得られた三次元計測結果など、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置４５、設計データなどの各種情報を予め記憶しておくための設定データ記憶装置４６などを備えている。尚、これら各装置４２〜４６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース４１に対し電気的に接続されている。
【００７７】
次に、基板検査装置１０にて実行される三次元計測処理等の各種処理について詳しく説明する。
【００７８】
制御装置１６は、コンベア１３を駆動制御してプリント基板１を定速で連続搬送する。そして、制御装置１６は、コンベア１３に設けられた図示しないエンコーダからの信号に基づいて、投影装置１４及びカメラ１５を駆動制御する。
【００７９】
より詳しくは、プリント基板１が所定量Δｘ搬送される毎、つまり所定時間Δｔが経過する毎に、縞パターンの投影されたプリント基板１をカメラ１５により撮像する。所定時間Δｔが経過する毎に、カメラ１５により撮像され取得された画像データは、随時、制御装置１６へ転送され、画像データ記憶装置４４に記憶される。
【００８０】
本実施形態では、所定量Δｘが、投影装置１４から投影される縞パターンの位相９０°分に相当する距離に設定されている。また、プリント基板１の搬送方向（Ｘ方向）におけるカメラ１５の撮像範囲Ｗが縞パターンの１周期（位相３６０°）分に相当する長さに設定されている。勿論、所定量Δｘやカメラ１５の撮像範囲Ｗは、これに限定されるものではなく、これより長くてもよいし、短くてもよい。
【００８１】
ここで、投影装置１４から投影される縞パターンと、カメラ１５により撮像されるプリント基板１との関係について具体例を挙げ詳しく説明する。図７は、時間経過と共に相対移動するプリント基板１上の座標位置とカメラ１５の撮像範囲Ｗとの関係を説明するための模式図である。図８は、時間経過と共に相対移動するプリント基板１上の座標位置と縞パターンの位相との関係を説明するための表である。
【００８２】
尚、本実施形態においては、プリント基板１上における搬送方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に関して、プリント基板１のＹ方向全範囲がカメラ１５の撮像範囲Ｗ内に含まれる。従って、Ｘ方向の同一座標位置におけるＹ方向の各座標位置については縞パターンの位相に違いはない。また、カメラ１５と投影装置１４の位置関係は固定されているため、投影装置１４から投影される縞パターンの位相は、撮像素子１５ａの受光面における各座標位置に対し固定されている。
【００８３】
図７，８に示すように、所定の撮像タイミングｔ１において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１のうち、その搬送方向（Ｘ方向）における座標Ｐ２〜Ｐ１７に相当する範囲が位置する。つまり、撮像タイミングｔ１においては、縞パターンが投影されたプリント基板１上の座標Ｐ２〜Ｐ１７の範囲の画像データが取得される。
【００８４】
具体的に、撮像タイミングｔ１においては、プリント基板１に投影された縞パターンの位相が座標Ｐ１７で「０°」、座標Ｐ１６で「２２．５°」、座標Ｐ１５で「４５°」、・・・、座標Ｐ１で「３６０°（０°）」といったように、縞パターンの位相が各座標Ｐ２〜Ｐ１７ごとに「２２．５°」ずつずれた画像データが取得される。但し、図７，８で示される縞パターンの位相は、高さ位置「０」かつ平面をなす基準面（例えばプリント基板１の背景領域）に投影された場合を想定したものである。
【００８５】
撮像タイミングｔ１より所定時間Δｔが経過した撮像タイミングｔ２において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１上の座標Ｐ６〜Ｐ２１に相当する範囲が位置し、該範囲の画像データが取得される。
【００８６】
撮像タイミングｔ２より所定時間Δｔが経過した撮像タイミングｔ３において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１上の座標Ｐ１０〜Ｐ２５に相当する範囲が位置し、該範囲の画像データが取得される。
【００８７】
撮像タイミングｔ３より所定時間Δｔが経過した撮像タイミングｔ４において、カメラ１５の撮像範囲Ｗ内には、プリント基板１上の座標Ｐ１４〜Ｐ２９に相当する範囲が位置し、該範囲の画像データが取得される。
【００８８】
以後、所定時間Δｔが経過する毎に、上記撮像タイミングｔ１〜ｔ４の処理と同様の処理が繰り返し行われる。
【００８９】
このようにして、プリント基板１上の所定の座標位置（例えば座標Ｐ１７）に係る全てのデータが取得されると、上記各画像データの座標位置を位置合せする（各画像データの相互間の座標系を合せる）位置合せ処理を実行する（図９参照）。図９は、撮像タイミングｔ１〜ｔ４において取得した複数の画像データの座標位置を位置合せした状態を模式的に示した表である。
【００９０】
続いて、複数の画像データの同一座標位置に係るデータを各座標位置ごとにまとめた上で演算結果記憶装置４５に記憶する（図１０参照）。図１０は、プリント基板１上の各座標位置に係るデータを整理した状態を模式的に示した表である。但し、図１０では、プリント基板１上の座標Ｐ１７に係る部分のみを例示している。
【００９１】
これにより、本実施形態では、プリント基板１上の各座標位置につき、縞パターンの位相が９０°ずつずれた４通り（θ＋０、θ＋９０°、θ＋１８０°、θ＋２７０°）の輝度値が取得されることとなる。
【００９２】
次に、制御装置１６は、上記のように取得した４通りの画像データ（各座標の４通りの輝度値）を基に位相シフト法により各座標毎の高さ計測を行う。制御装置１６は、該処理を各座標毎に繰り返すことで、プリント基板１全体の各座標における高さデータを算出し、これをプリント基板１の三次元計測結果として演算結果記憶装置４５に記憶する。
【００９３】
ここで、公知の位相シフト法について説明する。上記４通りの画像データにおけるプリント基板１上の所定座標位置の光強度（輝度）Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は、それぞれ下記式（１）、（２）、（３）、（４）により表すことができる。
【００９４】
Ｉ０＝αsinθ＋β                              ・・・（１）
Ｉ１＝αsin（θ＋９０°）＋β  ＝αcosθ＋β    ・・・（２）
Ｉ２＝αsin（θ＋１８０°）＋β＝−αsinθ＋β  ・・・（３）
Ｉ３＝αsin（θ＋２７０°）＋β＝−αcosθ＋β  ・・・（４）
但し、α：ゲイン、β：オフセット、θ：縞パターンの位相。
【００９５】
そして、上記式（１）、（２）、（３）、（４）を位相θについて解くと、下記式（５）を導き出すことができる。
【００９６】
θ＝tan-1｛（Ｉ０−Ｉ２）／（Ｉ１−Ｉ３）｝  ・・（５）
このように算出された位相θを用いることにより、三角測量の原理に基づき、プリント基板１上の各座標（Ｘ，Ｙ）における高さ（Ｚ）を求めることができる。
【００９７】
制御装置１６は、上記のようにして得られた三次元計測結果（各座標における高さデータ）を基にクリーム半田４の印刷状態の良否判定を行う。具体的に、制御装置１６は、高さ基準面より所定長以上、高くなった半田印刷領域を検出し、この領域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半田４の量を算出する。
【００９８】
続いて、制御装置１６は、このようにして求めたクリーム半田４の位置、面積、高さ又は量等のデータを、予め設定データ記憶装置４６に記憶されている基準データ（ガーバデータなど）と比較判定し、この比較結果が許容範囲内にあるか否かによって、クリーム半田４の印刷状態の良否を判定する。
【００９９】
以上詳述したように、本実施形態によれば、連続搬送されるプリント基板１に対し縞パターンが投影され、該縞パターンの投影されたプリント基板１が所定量（縞パターンの位相９０°分に相当する距離）搬送される毎にカメラ１５により撮像される。これにより、投影された縞パターンの位相が所定量ずつ（位相９０°ずつ）異なる４通りの画像データが取得される。そして、これらの画像データを基に位相シフト法によるプリント基板１の三次元計測が行われる。結果として、プリント基板１を停止させることなく連続移動させつつ三次元計測を行うことができるため、計測効率の向上、ひいては生産効率の向上等を図ることができる。
【０１００】
また、本実施形態に係る投影装置１４は、プリント基板１に対して、格子板２１の出射面（格子面）２１ｂ及び投影レンズユニット１９の主面がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。つまり、格子板２１の出射面２１ｂを含む平面Ｓ１と、投影レンズユニット１９の主面を含む平面Ｓ２と、プリント基板１の表面（投影面）を含む平面Ｓ３が同一直線Ｃ上で互いに交わるように設定されている。これにより、プリント基板１上の投影範囲全域に対し縞パターンを合焦状態で投影することができる。結果として、三次元計測の計測精度の向上を図ることができる。
【０１０１】
さらに、本実施形態に係るパターン生成部１８は、所定の屈折率を有する光学素材からなり、入射する光を縞パターンに変換する格子２５が設けられてなる格子板２１と、該格子板２１と同一屈折率を有する同一素材からなり、入射する光の入射角が０°となるように、格子板２１の入射面２１ａ側に配設された入射角調整板２２と、格子板２１と同一屈折率を有する同一素材からなり、出射する光の屈折角が０°となるように、格子板２１の出射面２１ｂ側に配設された屈折角調整板２３とにより構成されている。
【０１０２】
これにより、パターン生成部１８を透過する光の分散等を抑制し、縞パターンのぼけ等を抑制することができる。結果として、位相シフト法を利用した三次元計測の計測精度の向上等を図ることができる。
【０１０３】
加えて、本実施形態によれば、例えばガラス板に格子２５が印刷された既存の格子板２１など、安価な透光部材を用いてパターン生成部１８を製造することができる。このため、高価なＤＭＤ等の光学制御素子をパターン生成部として用いた場合に比べ、投影装置１４の製造コストを抑制することができる。
【０１０４】
また、ＤＭＤ等の光学制御素子を用いた場合のように、画素の制御を行う必要もなく、制御の簡素化を図ることができると共に、生成されるパターン光が微視的に不連続となることもないため、より理想的な縞パターンをプリント基板１に対し投影することが可能となる。
【０１０５】
さらに、ＤＭＤ等の光学制御素子を用いた場合のように、生成される縞パターンが光学制御素子の画素ピッチに依存することもなく、プリント基板１により適した縞パターンを投影することができる。
【０１０６】
尚、プリント基板１は、コンベア１３により搬送される際に高さ位置が微妙に変化してしまうおそれがある。これに対し、本実施形態では、投影レンズユニット１９が両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されているため、プリント基板１の高さ変化に影響を受けることなく、縞パターンを精度良く投影することができる。
【０１０７】
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
【０１０８】
（ａ）上記実施形態では、本願発明である投影装置及び三次元計測装置を、プリント基板１に印刷されたクリーム半田４の印刷状態を検査する基板検査装置１０に具体化したが、これに限らず、例えばウエハ基板に形成された半田バンプや、プリント基板上に塗布された接着剤、プリント基板上に実装された電子部品など、他の対象を検査する装置に具体化してもよい。勿論、基板とは異なる対象物を被計測物として三次元計測を行う構成としてもよい。
【０１０９】
（ｂ）上記実施形態では、位相シフト法による三次元計測を行う上で、縞パターンの位相が９０°ずつ異なる４通りの画像データを取得する構成となっているが、位相シフト回数及び位相シフト量は、これらに限定されるものではない。位相シフト法により三次元計測可能な他の位相シフト回数及び位相シフト量を採用してもよい。例えば位相が１２０°又は９０°ずつ異なる３通りの画像データを取得して三次元計測を行う構成としてもよい。
【０１１０】
（ｃ）上記実施形態では、位相シフト法による三次元計測を行う上で、縞パターンとして、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影する構成となっているが、これに限らず、縞パターンとして、例えば矩形波状や三角波状など非正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影する構成としてもよい。
【０１１１】
但し、非正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影し三次元計測を行うよりも、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影し三次元計測を行う方が計測精度が良い。そのため、計測精度の向上を図る点においては、正弦波状の光強度分布を有するパターン光を投影し三次元計測を行う構成とすることが好ましい。
【０１１２】
（ｄ）上記実施形態では、プリント基板１に対し縞パターンを投影し、位相シフト法により三次元計測を行う構成となっているが、これに限らず、例えば空間コード法やモアレ法など、他のパターン投影法を利用して三次元計測を行う構成としてもよい。但し、クリーム半田４など小さな計測対象を計測する場合には、位相シフト法など、計測精度の高い計測方法を採用することがより好ましい。
【０１１３】
（ｅ）上記実施形態では、コンベア１３によりプリント基板１を連続移動することにより、投影される縞パターンとプリント基板１との位置関係を相対移動させる構成となっているが、縞パターンとプリント基板１とを相対移動させる構成（変位手段）は、上記実施形態に限定されるものではない。
【０１１４】
例えば投影装置１４及びカメラ１５からなる計測ヘッドを移動可能に構成することにより、所定位置に固定されたプリント基板１と、投影される縞パターンとの位置関係を相対移動させる構成としてもよい。
【０１１５】
また、投影装置１４内においてパターン生成部１８を変位可能に設けることにより、投影装置１４及びカメラ１５からなる計測ヘッドとプリント基板１とを相対移動させることなく停止させた状態で、所定位置に固定されたプリント基板１と、投影される縞パターンとの位置関係を相対移動させる構成としてもよい。
【０１１６】
（ｆ）上記実施形態では、光源１７が白色光を出射するハロゲンランプにより構成されている。これに限らず、白色ＬＥＤなど他の光源を用いる構成としてもよい。
【０１１７】
（ｇ）パターン生成部１８の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態に係る格子板２１は、その出射面２１ｂに格子２５が設けられた構成となっているが、これに限らず、例えば入射面２１ａに格子２５が設けられた構成としてもよい。
【０１１８】
また、上記実施形態では、格子２５が印刷（蒸着）により設けられた構成となっているが、これに限らず、例えばレーザー加工など他の方法により設けられた構成としてもよい。
【０１１９】
また、上記実施形態に係る格子２５は、透光部２５ａと遮光部２５ｂとが交互に並ぶ２値的な構成となっているが、これに限らず、例えば３段階以上に透過率が異なる多値的な格子パターンが設けられた構成としてもよい。
【０１２０】
また、上記実施形態では、格子板２１、入射角調整板２２及び屈折角調整板２３の三者が同一の屈折率を有する同一の光学素材により形成されているが、これに限らず、格子板２１、入射角調整板２２及び屈折角調整板２３のうちの少なくとも１つが、同一の屈折率を有する異なる光学素材により形成された構成としてもよい。
【０１２１】
例えば所定の格子が設けられてなる第１透光部材を薄肉のフィルム部材等により形成した構成としてもよい。かかる第１透光部材は入射角調整板２２と屈折角調整板２３とにより挟持された構造となるため、第１透光部材の撓みを抑制することができる。
【０１２２】
（ｈ）投影光学系は、上記実施形態の投影レンズユニット１９に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、投影レンズユニット１９が両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されている。これに限らず、投影レンズユニット１９として、物体側テレセントリックレンズ（物体側テレセントリック光学系）を採用してもよい。また、テレセントリック構造を有しない構成としてもよい。
【０１２３】
（ｉ）撮像手段は、上記実施形態のカメラ１５に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、撮像素子１５ａとしてＣＣＤエリアセンサを採用しているが、これに限らず、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。
【０１２４】
また、撮像レンズユニット１５ｂが両側テレセントリックレンズ（両側テレセントリック光学系）により構成されている。これに限らず、撮像レンズユニット１５ｂとして、物体側テレセントリックレンズ（物体側テレセントリック光学系）を採用してもよい。また、テレセントリック構造を有しない構成としてもよい。
【０１２５】
（ｊ）上記実施形態では、特に言及していないが、上記シャインプルーフの条件は、パターン生成部１８を透過する光の進行方向（光軸Ｊ１方向）における格子板２１の出射面２１ｂ（格子２５）から屈折角調整板２３の出射面２３ｂまでの光路長の違いを加味したものであることが好ましい。
【０１２６】
パターン生成部１８を透過する光の進行方向における格子板２１の出射面２１ｂから屈折角調整板２３の出射面２３ｂまでの光路長は、屈折角調整板２３の出射面２３ｂに対する格子板２１の出射面２１ｂの傾斜方向における出射面２１ｂ上のどの位置を光が通過するかによって異なる。
【０１２７】
パターン生成部１８を構成するガラス等の光学素材は、通常、空気の屈折率よりも高い所定の屈折率を有する。このため、パターン生成部１８内を進む光の光路長は、空気中を進む光の光路長よりも光学的に長くなる。従って、格子板２１の出射面２１ｂから屈折角調整板２３の出射面２３ｂまでの物理的な長さ（光路長）が異なる場合には、格子板２１の出射面２１ｂからプリント基板１までの光学的な光路長が異なることとなる。これを考慮することなく、格子板２１の出射面２１ｂ及び投影レンズユニット１９の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置された場合には、僅かながらも誤差が生じ得る。
【０１２８】
これに対し、上記のような誤差を補正した状態で、格子板２１の出射面２１ｂ及び投影レンズユニット１９の主面がシャインプルーフの条件を満たすように配置すれば、より精度よく縞パターンを合焦させることができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１…プリント基板、４…クリーム半田、１０…基板検査装置、１３…コンベア、１４…投影装置、１５…カメラ、１６…制御装置、１７…光源、１８…パターン生成部、１９…投影レンズユニット、２１…格子板、２２…入射角調整板、２３…屈折角調整板、２５…格子、２５ａ…透光部、２５ｂ…遮光部、３１…入射側レンズ、３２…開口絞り、３３…出射側レンズ、Ｊ１…光軸。
【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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【図８】
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【図９】
2019074426.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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